核融合ベンチャーその２：General Fusion
前のblogで紹介したTAE（核融合ベンチャーその１：TAE Technologies - imakov’s blog）の次に出てきたのが、カナダのGeneral Fusion（ジェネラル・フュージョン）社です。2002年創業ですね。カナダは核融合をやっているイメージがないので、カナダ政府などの支援を受けて起業したのは意外でした。それがなぜか、イギリスでUKAEA（英国の原子力研究所）と協力して2025年から運転を開始する核融合炉を作るとプレス発表したから、もう訳分かんないですよね。
General Fusionは、磁化標的核融合（Magnetized Target Fusion）という手法で核融合炉の実現を目指しています。この手法は、一度プラズマを磁場で閉じ込めた後に、それを圧縮させて核融合反応を発生させるというアイディアで、トカマクなどの磁場閉じ込め核融合とレーザーを使用する慣性核融合のハイブリッドみたいな手法です。歴史的には米国Los Alamos National Laboratryがずっとこの手法を研究をしていましたが、種となるプラズマ生成の研究をしていただけで、圧縮するところまではどこもやっていないと思います。
下図がGeneral Fusionで考えている核融合炉です。中心に真空容器があり、それをたくさんのピストンが取り囲んでいます。真空容器の上についているのは、プラズマ発生装置で、上から中心に向かってプラズマが移動してきます。下図の青白く光っているのがプラズマですね。そのあと、周囲のピストンがプラズマを圧縮させるのですが、それには液体金属の壁を用います。ピストンが液体の金属を押し、液体の金属がプラズマを圧縮するという流れです。プラズマを均一に圧縮したいので、金属壁は球殻形状にしたく、そのために液体金属は真空容器の中をグルグル回転しています。グルグル回っている液体金属の、渦の中心の空洞部分にプラズマを放り込むわけです。ピストンは、液体金属を押し込むというよりは、衝撃波を伝えているようです。ピストンの中のシリンダー（下図の赤いやつ）が、秒速100mで鉄床に叩きつけられ、その時の衝撃波が液体金属を伝わっていきます。周囲にある多数のピストンから伝搬した衝撃が中心で重なるように、ピストンの動作を制御してあげて、200マイクロ秒以下で一気にプラズマを圧縮します。プラズマは径方向に10分の１まで圧縮され、プラズマの中心密度は1026m-3、温度は10 keV、磁場は100 Tになるそうです。
液体金属壁を圧縮するというアイディアは1970年頃からあって、当時の技術では多数のピストンの駆動タイミングを制御できなかったようです。今では、高速駆動ブレーキ付きのサーボコントロールが可能なので、磁化標的核融合が現実的だというのがGeneral Fusionの言い分だと思います。
この手法でよく分からないのは以下の２点です。
- 均一な圧縮
- 核融合反応で得られた熱の取り出し
まず、均一な圧縮ですが、レーザーを使用する慣性核融合ではこれにすごく苦労しています。慣性核融合では、『プラスチックのシェルの中に燃料となる重水素と三重水素をいれたターゲット』にレーザーを打ち込みます（正確ではないですがまぁそこは置いといてください）。ターゲット表面が一気に加熱されプラズマ化して、衝撃波が中心にあつまり、それが重水素と三重水素を圧縮し核融合反応が起こります。この『衝撃波を中心に集める』といのが非常に難しいんです。下の図は圧縮中のターゲットの写真ですが、ギザギザした形状が見えます。1995年の実験ではギザギザが不均一な形状ですが、2020年にはギザギザが均一になっています。これを達成するために、プラスチックのシェルの作り方をものすごく研究しています。最先端の核融合の研究のために、『直径数mmのプラスチックのカプセルをいかに真球に近づけるか、膜厚をいかに均一にするか』という地味な研究をずっと続けているわけです。それに比べると、General Fusionの金属壁ってあまりに精緻さに欠けると思うんですよね。少なくとも上の模式図では、円筒側面にだけ液体金属壁があって、プラズマの上下方向には液体金属壁がないので、横から押しても縦方向に圧力が逃げて圧縮できなさそうですよね。昔の炉心の構想図は、もっと球形に近かったので均一な圧縮ができそうでしたけど、最近の構想図には疑問が残りますね。
核融合反応で得られた熱の取り出しは、液体金属壁を回収することで実現できます。核融合反応が起こると、それに近接している液体金属が熱くなります。それを回収して熱交換器で水に熱を伝え、それでタービンを回すわけです。かれらの想定では、『毎秒1回核融合反応を起こさせて100 MWの出力を得る』ということだそうですので、『液体金属を注入して、回転させて渦を作り、そこにプラズマを注入して圧縮して核融合反応を起こさせ、液体金属を回収して、次の液体金属を注入して・・・』というのを1秒間隔で繰り返す必要があります。このプロセスを1秒で全部やるって、ちょっと想像がつかないんですよね・・・液体金属は単に回転させれば良いのではなくて、均一な圧縮のために壁表面が滑らかであるべきなのですから、簡単ではないはずです。液体金属の回収は、重力を使って真空容器の下側から取り出すはずですが、液体金属が回転していては下側に集まらないので、一度回転を止めてやる必要があるはすです。ちなみに、容器の中は真空なので、（掃除機のようなもので）吸い出して液体金属を回収するというのもできません。うーん、1秒でどうやるのか全く想像がつきませんねぇ。
