核融合炉で超伝導ってよく聞くけど、一体何？基礎から必要な理由、電気抵抗ゼロも

核融合炉を建設するときに必要になる「超伝導コイル」。この記事では、そもそも超伝導って何？の基本的な疑問にお答えします。

そして、核融合炉で超伝導コイルがなぜ必要なのかについても、もちろん解説したいと思います。

超伝導と超電導の漢字の違いはある？

まず最初に、漢字について。超伝導のことを、よく超電導と書かれる場合もあります。つまり、「伝」と「電」の違いです。

どちらの場合も、意味に違いはありません。これは、「電」を使う方がこの学術分野では少し古い慣習であるだけです。ただ、「伝」を使う方が現在は正しい表記であるのです。

超伝導って何？電気抵抗がゼロとは？

超伝導とは、「電気抵抗がゼロになる」現象とよく言われます。

では、電気抵抗とは何なのでしょうか。

「電気抵抗」とは、 電気のエネルギーを熱に変えてしまう、エネルギーロスの原因です。

私たちが日常生活で電気を使う時。照明、掃除機、冷蔵庫、スマホ、そしてそれらにつなぐ充電ケーブルなどなど。こういった、コンセントから電気をとって明かりや動力、電子機器を使うときなどに、その機器が発熱しませんか？別に熱くなってほしくもないのに‥。これが先ほど述べた電気エネルギーのロスです。

この熱の発生によるエネルギーロスは、私たちが日常生活で使うほぼ全ての電気製品で起こります。なぜ電気のエネルギーが熱に変わるかというと、物質の中には普通、「電気抵抗」というものがあるからです。

電気抵抗って、具体的にどんなもの？

ここからは少し、物理チックな話になりますが、なるべく簡単に。この章では、色々重要なことを書くので、是非覚えていってください。

同じ金属でも、例えば銅線が電源コードなどによく使われて、鉄が使われないのは、銅の方が電気抵抗が小さく、一方で鉄の方が電気抵抗が大きいからなのです。

電気抵抗と発熱のイメージ‥もう少し分かりやすく

電気抵抗と発熱のことを、「人混み」を例えに使って、もう少し分かりやすく説明します。

物質を構成する原子の集団。これをイメージするために、

• 原子の役になった人　と、
• 原子の中でも自由に動ける電子の役になった人

がたくさんいる状況を、下の図のようにイメージします。鉄や銅のような単純な金属の場合、正確ではありませんが、この図に近い状況になります。

電気の流れは電子の移動・流れなので、電気製品を使うときに電流が流れているところでは、電子役の人たちが高速で走り回っています。

このとき、「電気抵抗」とは、「原子の役の人たちが電子の動きの邪魔になるところをうろうろしてないか」どうかの具合の程度です。それによって、次の違いがあります。

電気抵抗が大きい場合とは

原子役の人たちが、電子役にとってかなり邪魔になる位置をうろうろしている状況。

邪魔な位置でうろうろされると、電子役は原子役の人をなんとか避けて進まないといけないが、避けきれない。そのせいで電子役の人たちは、原子役の人たちにぶつかりながら移動することになる。このぶつかるときに、熱エネルギーロスが発生する。

電気の流れが邪魔され通りにくくなっているため、電気抵抗が大きいということ。

電気抵抗が小さい場合とは

原子役の人たちが、電子役の人たちにとってあまり邪魔にならない位置でうろうろしている。

そのおかげで、電子役の人たちは、原子役にそんなにぶつからずに済むため、移動しやすい＝電気抵抗が小さい。また、熱の発生もそれほどない。

超伝導＝電気抵抗ゼロのときのイメージとは

上記の説明の流れで、超伝導についても説明します。

そのため、電子役の人たちは、原子核役の人たちにまったく邪魔されずに移動できるのです。邪魔されないので、ぶつかることもなく、そのため熱エネルギーのロスも発生しない。これが、超伝導のときの状態。つまり、電気抵抗がゼロの状態です。

超伝導になるには

では、どうするとこの超伝導の状態ができるのでしょうか。これについて少し解説します。

－196℃～－273℃くらいまで冷やして、原子のうろつきを抑える

超伝導にするためには、まず物質をかなり冷やす必要があります。どのくらい冷やすかというと、一般的には－196℃～－273℃くらいまで冷やす必要があります。（ちなみに、絶対零度と呼ばれる温度がおよそ－273℃です。）家にある冷凍庫なんかは－18℃くらいなので、私たちが日常生活では扱わない温度まで冷やす必要があるとお判りでしょうか。

なぜ、こんなに冷やす必要があるかというと、原子役の人がうろつくことを抑えるためです。原子と言うのは、固体液体気体のどんな状態でも、微妙に振動しています。この振動が、先ほど説明していた原子役の人の「うろつき」なのですが、このくらいの温度まで冷えることで、その振動がなくなるのです。

ちなみに、どうやってそんな温度まで冷やすかというと、液体窒素や、液体ヘリウムと呼ばれる物質を普通使います。以下の動画で、液体窒素の実験を簡単に紹介しています。

超伝導になれる物質は限られる

ただ、上記の温度まで冷やせばすべての物質が超伝導になるわけではありません。物質によって、原子の並びは全然違います。そのため、冷やした時に、原子役の人たちが電子役の人たちの動きを邪魔しない位置にいる物質＝超伝導になれる物質というのは限られるのです。

逆に、冷やしたときに超伝導になれる物質のことを「超伝導物質」と言います。世界では、様々な超伝導物質を探す研究がなされています。

なお、超伝導物質であっても、冷やす前は超伝導の電気抵抗ゼロの状態ではないことにご注意ください。超伝導になるために冷やせばいいい温度は、超伝導物質によって違いがありますが、その物質の超伝導になる温度まで冷やして初めて、超伝導状態になることができるのです。

以下の図は、核融合炉で使われる超伝導物質を紹介しています。図の中心にあるような太い銅の円筒の中心部に、1万本くらいの超伝導物質が入っています。この太い銅の円筒を、機械で何度も引き延ばしていくと、なんと直径1 mmぐらいのまで小さく細長くなって電線のようになります。それを、核融合炉用の超伝導コイル製作に使うのです。

超伝導で電気抵抗ゼロになることのメリット

では、超伝導物質を冷やす必要はあるものの、超伝導状態となり電気抵抗がゼロになるとどんなメリットがあるでしょうか。

超伝導状態なら、電気エネルギーの無駄がなくなる

先程、電気抵抗は「物質中の電気の流れを邪魔する仕組み」と説明しました。この電気抵抗がゼロになるということは、この邪魔がなくなり、熱の発生によるエネルギーのロスがなくなることになります。

つまり、超伝導状態であれば「電気のエネルギーを100%生かすことができる」というメリットがあるのです。このメリットを生かすと、例えば核融合炉のように超伝導物質を使ったコイルを造ると、電気のエネルギーを100%生かして強力な磁場を発生させる電磁石を作ることができます。

逆に言えば、核融合炉の場合は、超強力な磁場を発生かつエネルギーロスの無い電磁石が必要なため、超伝導物質を使ったコイル、すなわち「超伝導コイル」が用いられるのです。

もし、磁場閉じ込め式核融合炉で超伝導コイルを使わないとすると…

もし、トカマク型やヘリカル型といった磁場閉込め方式の核融合発電所を、超伝導コイルを使わずに将来建設しようとすると、どのようなことが起こるか。

よく言われるのは、もしコイルを超伝導コイルではなく、普通の銅線を巻いたようなコイルを核融合炉に使った場合、エネルギーのロスが大きくなりすぎると試算されています。

どのくらいエネルギーロスするかというと、せっかく核融合で発電した電気がムダになるくらい、コイルで電気を消費してしまうのです。そのため、核融合炉では超伝導コイルが必要になるのです。

超伝導に関するその他の情報は…

https://gfycat.com/damagedhopefulfalcon

この記事では、超伝導の性質である「電気抵抗ゼロ」に注目して解説をしましたが、超伝導にはその他にも不思議な特徴があります。それについては、また別の記事で解説したいと思いますので、本日はここまで。

なお、この記事の内容を理解するに当たっては、下記のyoutube動画も参考になります。

なお、超伝導や超低温での物理学の理論についてもっと知りたいという方は、こんな動画もありました。