核融合研究者が地球上に星を作るためのより安全で効果的な方法を発見

SciTechDaily 2019 年 12 月 23 日

科学者らは、ある種の粉末をプラズマに振りかけることで、トカマク施設が超高温のガスを利用して、温室効果ガスや長期の放射性廃棄物を発生させずに熱と電力を生成できる可能性があることを発見した。

A major issue with operating ring-shaped fusion facilities known as tokamaks is keeping the plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">plasma that fuels fusion reactions free of impurities that could reduce the efficiency of the reactions. Now, scientists at the U.S. Department of Energy’s (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPLThe U.S. Department of Energy’s Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) is a collaborative national laboratory for plasma physics and nuclear fusion science. Its primary mission is research into and development of fusion as an energy source for the world." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">PPPL)は、ある種の粉末をプラズマに振りかけることで、温室効果ガスや長期放射性廃棄物を生成することなく、トカマク施設内の超高温ガスを利用して熱を生成し、発電するのに役立つ可能性があることを発見した。

太陽や星を動かす力である核融合は、軽い元素をプラズマ (自由電子と原子核で構成される高温の帯電状態の物質) の形で結合させ、大量のエネルギーを生成します。 科学者たちは、地球上で核融合を再現し、事実上無尽蔵の発電用電力供給を目指しています。

PPPL物理学者ロバート・ランズフォード氏は、核融合プラズマにホウ素粉末を注入すると核融合反応を促進できることを示す研究を完了した。 クレジット: Elle Starkman / PPPL 通信局

「実験の主な目的は、粉末インジェクターを使用してホウ素の層を堆積できるかどうかを確認することでした」と、『Nuclear Fusion』誌に結果を報告した論文の筆頭著者であるPPPLの物理学者ロバート・ランズフォード氏は述べた。 「今のところ、実験は成功しているようだ。」

ホウ素は、タングステンとして知られる元素がトカマク壁からプラズマ中に浸出してプラズマ粒子を冷却し、核融合反応の効率を低下させるのを防ぎます。 「ホウ素化」として知られるプロセスで、ホウ素の層がプラズマに面する表面に適用されます。 科学者たちは、核融合反応を最大化し、電気を生み出すための熱を最大化するために、プラズマを可能な限り高温（太陽の表面の少なくとも 10 倍）に保ちたいと考えています。

粉末を使用してホウ素化を行うことは、現在使用されている方法であるジボランと呼ばれるホウ素ガスを使用するよりもはるかに安全です。 「ジボランガスは爆発性があるため、プロセス中は全員がトカマクを収容する建物から出なければなりません」とランズフォード氏は語った。 「一方で、プラズマにホウ素粉末を少しだけ落とすことができれば、管理はずっと簡単になるでしょう。 ジボランガスは爆発性で有毒ですが、ホウ素粉末は不活性です」と彼は付け加えた。 「この新しい技術は侵入性が低く、危険性も確実に低くなります。」

もう 1 つの利点は、物理学者はホウ素ガスのプロセス中はトカマク操作を停止する必要がありますが、機械の稼働中にホウ素粉末をプラズマに追加できることです。 将来の核融合施設は、一定の電力源を提供するために、長期間中断なく稼働する必要があるため、この機能は重要です。 「これは定常状態の核融合マシンに到達するための 1 つの方法です」とランズフォード氏は語った。 「機械を完全に停止しなくても、ホウ素を追加できます。」

トカマクの内面をコーティングするために粉末スポイトを使用する理由は他にもあります。 たとえば、研究者らは、ホウ素粉末の注入には窒素ガスをプラズマに吹き込むのと同じ利点があることを発見しました。どちらの技術もプラズマ端の熱を増加させ、プラズマが磁場内に閉じ込められる度合いを高めます。