トカマク型核融合炉の炉心構造を解説[Q&A-12]

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先に 核融合Q&A-1~5 までを読んで頂くと、記事の理解が早まるのでオススメです

核融合炉の構造はどうなっている?トカマク型核融合炉を解説

この記事では、国際熱核融合実験炉ITERなどに代表されるトカマク型核融合炉の炉心構造・パーツについて紹介します。

核融合炉の仕組みは、火力発電所や今存在している原子力発電所と異なり、かなり複雑です。そもそも、核融合エネルギーを発生させるために1億度以上のプラズマを作ることが必要なのですが、その「プラズマ」というものを生成させるために必要な機器が特殊。そのため、これまでの火力発電所や原子力発電所とは全く異なる炉心構造になるのです。

そこで、核融合炉の炉心構造について、「どうやって核融合プラズマを作っているから、こういうパーツが必要なんだ。」という形で、核融合プラズマの作り方にも触れながら解説したいと思います。また、工学的な難点(ものづくりの難しさ)にも触れます。それぞれの機器の詳細は別の記事で解説するとして、今回は大まかな解説です。

なお、「核融合とは何か」「プラズマとは何か」「トカマク型核融合炉とは何か」については、核融合Q&A-1~5話にまとめております。こちらの記事を読む前に、まずはサクッとこれらの記事を読んで頂くと、核融合炉の構造に対する理解が深まります。

目次

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核融合炉の構造の前に、炉心の中で何が起こっているかを知る

核融合炉の構造を知る前に、核融合炉の炉心の中で何が起こっているかを整理します。それにより「核融合炉に必要な構造」を理解するためです。

核融合炉でエネルギーを発生させるまでの基本的な仕組み・流れは、次の通りです。

1) 1億度以上で高密度の重水素-三重水素プラズマを炉心で作る(プラズマの加熱と圧縮。)プラズマの中で核融合反応が起き、中性子とヘリウムが発生する。
➤ ① 真空容器・② 超伝導コイル・③ プラズマ加熱機群・⑥クライオスタットが必要

2) 1)の中性子で、水を沸騰させ、発電タービンを回す。同時に、中性子とリチウムを反応させて三重水素を生成する。
➤ ④ ブランケットが必要

3) 2)で生成した三重水素は回収して、燃料に再利用する。1)で発生したヘリウムや、その他プラズマ中に残った不純物は排気する。
➤ ⑤ ダイバータが必要

このような流れを、トカマク型核融合炉の中で作ろうとしているのです。

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核融合炉の主要機器

上の1)~3)を行うため、トカマク型核融合炉の炉心には次のような主要機器が設置されています。

  1. 真空容器
  2. 超伝導コイル
  3. プラズマ加熱機群
  4. ブランケット
  5. ダイバータ
  6. クライオスタット

これらの機器が配置されている場所を以下に示しています。以下の図は、トカマク型核融合実験炉ITER(イーター)の炉心主要機器配置について紹介した図です。ただ少し分かりづらいところもありますし、主要機器以外も写っているので、これ以降の文で、それぞれの主要機器について説明します。

核融合炉の主要パーツ

上記画像引用元: ITERの設計 | 核融合実験炉ITER日本国内機関・QST

① 真空容器

トカマク型核融合炉ITERの真空容器

真空容器は、プラズマを作る空間全体を覆っている金属の分厚い容器です。プラズマがドーナツの形をしているので、真空容器もドーナツ形状をしています。上の図は、真ん中の光っているところがプラズマができる場所で、その周りの金属容器がトカマク型核融合炉ITERの真空容器です。(この図では、プラズマと真空容器の位置関係が分かりやすいように、正面の真空容器部分はわざとなくされています。)なお、図の正面右下に人が見えますので、これでこの真空容器がどのくらい大きいかが分かると思います。

真空とは?真空容器とは?

真空容器とはそもそも何かというと、「真空」という中の空気が空っぽの状態を作るための密閉容器です。私たちは普段の日常生活で、酸素を肺に吸って二酸化炭素を出しますし、空気中に含まれる約80%は窒素という物質です。こういった物質が空気中を漂っている。また、私たちが風が吹くのを感じるのは、空気がこういった物質で満たされており、私たちにぶつかってくるからです。

一方、「真空」の空間、つまり「空気中の酸素・窒素・二酸化炭素などの物質がほとんどない」空間を作るには、文字通り酸素・窒素・二酸化炭素などの物質を空気から追い出します。追い出す方法としては、超強力・超高回転な扇風機のような仕組みを持つ、「真空ポンプ」と呼ばれる機器などを使ったりします。ですが、せっかく追い出しても、空間に穴や隙間があると、そういったところからまた、空気が入って来てしまいます。それを防ぐためには、小さな穴も隙間もなく、そして強度のある容器が必要になります。それが、真空容器なのです。

真空にしてから、核融合の燃料ガスを注入する

核融合炉ではこの真空容器の中に、重水素ガスと三重水素ガス燃料を適切な濃度で注入し、プラズマを作って核融合反応を起こします。ただし、燃料プラズマは不純物ガスが大量に存在していると上手く作ることができないので、一旦真空状態としてから、燃料ガスを注入するのです。

真空容器の工学的難所

核融合炉の真空容器は、プラズマの大きさが人の大きさを優に超えるので、真空容器の大きさもそれ以上になります。(なお、これ以降で説明する真空容器以外の機器もまた、人と比べるととても大きいということは覚えておいて下さい。)このように巨大な金属の容器は、分割した真空容器の金属パーツを「溶接」によってつなげていくことで造り上げます。

ただ、溶接とは金属を溶かしながらつなげていく行為であり、溶かしてから固まるときに変形が必ず生じます(溶接変形)。複数のパーツを溶接によりつなげていくと、溶接変形の回数も増えるので変形問題が複雑になります。

溶接は、穴も隙間もなく金属同士を強固に繋げるためには有効な手段です。しかし、この溶接変形や残留応力といった問題に対応しながら真空容器製作を進めなければいけないことに、注意しなければなりません。

核融合炉では溶接変形は工学的問題
溶接作業の様子
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② 超伝導コイル

本サイトのQ&A-4話「核融合プラズマと磁場」、及び、Q&A-5話「トカマク型核融合炉」でも紹介していますが、核融合プラズマをコントロールするために、強力な磁場が必要になります。そこで、コイルを使って必要な磁場を発生させるのです。

トカマク型核融合炉に必要な超伝導コイルの種類

そして、Q&A-5話でも紹介していますが、トカマク型核融合炉では、2種類の最も重要なコイルが必要です。それらは、トロイダルコイルとセンターソレノイドコイルと呼ばれます。トロイダルコイルは、主にドーナツ状の磁場を作ります。センターソレノイドコイルは、プラズマを加熱するためにプラズマの中に電気を流す(ブラズマ電流)役割があります。

そしてさらに、プラズマの形状を安定させるためには、ポロイダルコイルと呼ばれるコイルも必要です。ポロイダルコイルは、超伝導コイル群の中でも一番外側の周囲に配置されるコイルなので、大きさも最大になります。

コイルの数は、ITERの場合、トロイダルコイルが18本、センターソレノイドが中心に1本(実際には、1本を6スタックに分割)、ポロイダルコイルが6本になります。このようなコイルの数や位置は、トカマク型核融合炉の種類によって若干の違いがあるものの、おおよそ同じようになります。

また、プラズマの形状を微修正するために、その他にも小さいコイルが多数設置されます。

なぜ「超伝導」コイルが必要なのか?

一般的にコイルというと、大きさが巨大であれ手のひらサイズであれ、とにかく銅線をくるくる巻いたものを指します。これに対し、銅線の代わりに超伝導線をくるくる巻いたものを「超伝導コイル」と言います。

ではなぜ超伝導コイルが必要なのか。そもそも「超伝導」とは、電気のムダを無くすことができる状態です。さらに、超伝導線と呼ばれる超伝導の特性を生かして開発された電線を使うと、家庭用電源コードに流せる電流の数十倍から数百倍の電流を流すことができます。

コイルから発生する磁場の強さは、電流が大きいほど(比例して)強くなります。そのため、コイルとして銅線ではなく「超伝導線」をくるくる巻いたものを使うと、プラズマのコントロールに必要な、強力な磁場を発生させることができるのです。

超伝導が応用された皆さんがよく知る技術に、リニアモーターカーがあります。超伝導線を使用することで強力な磁場を発生させて、車体を浮かせているのです。

超伝導技術を利用したリニアモーターカー

超伝導コイルには極低温の冷凍設備が必要

超伝導コイルに使われる超伝導線は、常温でも常に「超伝導」の状態でいるわけではありません。超伝導材料によって異なりますが、一般的な超伝導線は、-196℃~-269℃という極低温の温度まで冷やさないと、超伝導の状態にならないのです。

また、一般的には、極低温まで冷やしたいときには、液体窒素や液体ヘリウムというものが冷媒に使われます。こういったものを使って、超伝導コイル全体を冷やす必要があります。ただ、液体窒素や液体ヘリウムは、気体の窒素・ヘリウムから、大型のポンプなどによる圧縮・膨張などのプロセスを有する冷凍設備を経て作られます。そのため、そういった液体窒素や液体ヘリウム用の巨大な極低温冷凍設備もまた、核融合発電所の敷地内に置く必要があります。

超伝導コイルの工学的難点

超伝導コイルを製作する上で最も苦悩・苦心するのが、「品質管理をどうするか」です。

超伝導コイルは、先ほども述べたとおり、-196℃~-269℃などという極低温状態にすることで初めて、きちんと超伝導状態になるかを確認することができます。逆に言えば、極低温状態にするまでは、超伝導コイルの製作が上手く行なわれているかを確認できないのです。

そして、これは先ほども述べたとおり、超伝導コイルを極低温にするためには、液体窒素や液体ヘリウム用の大型冷凍設備が必要です。ですが、そのような極低温用の大型冷凍設備を制作現場に持ち合わせているメーカーなど世界にもほとんどありません。

従って、超伝導コイルの製作途中で問題が起きていないかどうかを、実際に極低温に冷やして超伝導状態にして確認することができません。そこで、超伝導コイル品質管理には、徹底した「製作プロセス」の管理を行なう以外に手がなく、上手く超伝導になるかどうかはで核融合炉に設置して冷やすまでわからないという難点を抱えています。

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③ プラズマ加熱機群

核融合反応を起こすためには、プラズマを1億度以上に加熱する必要があります。そのプラズマを加熱するために、大きく分けて次の4種類の加熱装置が、真空容器の周囲に設置されます。

トカマク型核融合炉の主要なプラズマ加熱装置
i) センターソレノイドコイル
ii) 電子サイクロトロン共鳴加熱
iii) イオンサイクロトロン共鳴加熱
iv) 中性粒子ビーム入射装置

i)については、先ほどの超伝導コイルの説明でも出てきましたので、ii)〜iv)の設置場所について、下の図に示しています。

ITER核融合プラズマ加熱装置の配置
ITER核融合プラズマ加熱装置の配置 (緑:電子サイクロトロン共鳴加熱装置の入射口周り、青:イオンサイクロトロン共鳴加熱装置の入射口周り、黄色:中性粒子ビームの入射口周り、)
引用元:https://www.iter.org/

なお、上の図は、当サイトの記事:核融合炉で1億度にプラズマ加熱する方法?[Q&A-9] から引用したものです。その他、「一体どうやってプラズマというものを加熱するのか?」といった加熱装置の詳細については、その記事で詳細に解説しておりますので、そちらを読んでみてください。

④ ブランケット

トカマク型核融合炉のブランケット

ブランケットは、トカマク型核融合炉の真空容器の内壁に、まるでタイルのように敷き詰めて設置するブロックです。上の図は、ITERのブランケットを敷き詰めた様子ですが、四角いブロックから構成されている様子が分かります。タイルのようなブロックと言っても、そのブロック1個1個の重さは例えばITERの場合だと4.6トンあり、大きさは1 m×1.5 mほどです。

マルチタスクをこなすブランケット

トカマク型核融合炉のブランケット詳細
ブランケットの役割 画像引用元: 核融合発電 第07回 「ブランケット」熱エネ変換 – 量子科学技術研究開発機構 (qst.go.jp)

ブランケットは、核融合炉でもマルチタスクをこなす役割を任されている重要なパーツです。

まず、ブランケットの中には、核融合反応で発生した高速中性子1個を、速度が低い中性子2個に倍増させる「中性子増倍材」が入っています。

数を倍増させた中性子は、2つの用途で使われます。1つ目の用途は、ブランケットの中の冷却水配管を通過するときに、中性子のエネルギーが水に吸収され、結果として水が温められます。温められた水は蒸気の発生に使われ、その蒸気が発電機を回すのです。

もう1つの中性子の用途は、核融合燃料のトリチウムを作ることです。ブランケットの中には、リチウム6と呼ばれる金属が使われます。リチウム6は、中性子がぶつかるとトリチウムを発生させる反応を起こします。発生したトリチウムは、ブランケット中の冷却水配管の冷却水に吸収されるので、それを回収して燃料に使用します。

なお、ITERの場合は、上記のようなマルチタスクをこなすブランケットは使われません。マルチタスクをこなせるブランケットは、そもそも世界でも現在開発途中の段階です。ITERでは、その各国開発途中のブランケットが持ち込まれて、試験が行われる予定です。将来、実際の核融合発電所が建設された場合には、マルチタスクをしっかりこなすブランケットが開発され、真空容器の内壁全面に設置されるでしょう。

将来の核融合発電所のブランケットでの、三重水素生成の具体的なプロセス

将来の核融合発電所のブランケットでの、三重水素生成の具体的なプロセスは、以下のとおりです。(以下の図を用いて説明します。)

  1. まず、下図の左の方に、ITERと同じトカマク型核融合炉の図があります。ピンク色のドーナツ形プラズマの周囲を囲んでいる緑色の壁を「ブランケット」と言います。ブランケットは、図の真ん中にあるような、四角いブロックがたくさん並べられて構成されます
  2. プラズマの中で重水素-三重水素(トリチウム)の核融合が起こると、強いエネルギーを持った中性子とヘリウムが生まれます。中性子はブランケットに向かって飛び出し、ブランケットの中を通過しようとします。
  3. 下の図の、右側の方を見てください。ブランケットの中には、ベリリウムとリチウムという材料が含まれています。そして、中性子がブランケットの中を通過しようとするとき、これらに衝突します。中性子がベリリウムという材料に衝突すると、弱いエネルギーを持った中性子が2つ作られます。
    つまり、これまでの①~③の工程で、中性子がたくさん作られるわけです。
  4. それらの中性子が、リチウムという材料に衝突すると、三重水素(トリチウム)が作られるというわけです。これを「トリチウム増殖」と呼んでいます。
ITERのブランケット・トリチウム増殖
ITERのブランケット・トリチウム増殖 引用元: (六ヶ所核融合研究所) ブランケット工学試験棟新築工事|ZENITAKA Topics|錢高組

※リチウムとトリチウムで名前が似ていますが、全く別の物質ですので注意して下さい。リチウムは金属。トリチウム(三重水素)は水素の仲間です。

リチウムというのは金属で、私たちの身近でも携帯電話の電池やモバイルバッテリーなどに使われています。ただ、核融合用に使うのは、少し特別なリチウムではありますが、それでも私たちの身の回りで使われている材料から、燃料のトリチウムが作られるのです。

トカマク型核融合炉用ブランケットの工学的難点

ブランケットは、上記のマルチタスクを、1億度のプラズマに対面する場所でこなします。さらに、ブランケットは、核融合反応で発生する強力な中性子の照射も受けます。そのため、このような過酷な環境に耐えうるブランケット用材料の開発が必要になります。

そのような強力な中性子を照射する試験設備として、量子科学技術研究開発機構(QST)では、「IFMIF(イフミフ)」という実験施設建設計画が進められています。詳しくは、以下の記事で紹介しています。

ただ、ブランケットは核融合炉が運転終了するまでそのまま放置ではありません。やはり過酷な環境に数十年置かれるのは厳しいので、交換がなされます。ただ、この4.6トンもあるブロックを複数交換する交換作業を、放射線環境下で、素早く行う技術が必要になります。もし、ブランケットの交換に時間がかかりすぎると、それはそのままプラントの停止期間に直結するからです。

ITERの場合は、炉内にレールを展開し、巨大なロボットアームを走らせてブランケットを交換する手法が考えられています(下の図がロボットアームの試作機)。
一方、将来の核融合炉では、ブロック1個1個を交換するのではなく、真空容器をホールケーキに見立てたときに1切れずつカットして、その部分をまとめて交換してしまおうという「セクター交換方式」といった提案もあります。
いずれにせよ、ブランケットの交換頻度・方法は、核融合炉全体の設計にも影響を与える重要検討事項です。

ITERブランケット遠隔保守ロボット
ITER遠隔保守ロボット試作機 画像引用元: 170414_VR_maruyama.pdf (qst.go.jp)

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⑤ ダイバータ

ITERトカマク型核融合炉のダイバータ

ダイバータは、核融合反応後に生成されるヘリウムや、核融合プラズマ中に混入する不純物元素を、プラズマから排気する仕組みと場所を指します。

例えばITERの場合、プラズマの形はきれいなドーナツ型ではありません。プラズマの下部に、足が2本生えたような形をしています。実はこの足、核融合プラズマ中に混入する不純物元素をプラズマから排気するために、プラズマの形状をこのように敢えて操作しているのです。そして、その足の先端がダイバータ部となります。

ダイバータ核融合プラズマ
画像引用元: 研究の最前線から / 核融合プラズマ計測学分野 / 研究室紹介 / QSE (tohoku.ac.jp)

なぜ、トカマク型核融合炉にダイバータが必要?

このように足があるプラズマを作ると、プラズマ中のヘリウムや不純物が、この足先の場所まで到達します。そして、それらを足先の場所で「ダイバータ板」という板に衝突させます。下の図では、「ターゲット」と書かれている曲がった板のことです。

ダイバータ ターゲット
画像引用元: ITER のダイバータ/ Twitter

ダイバータ板にヘリウムや不純物を衝突させるのは、これらを冷ますためです。プラズマ中からダイバータへ流れ込んできたヘリウムや不純物は、まだ1億度のプラズマとそれほど変わらない温度です。これらをこの温度のまま扱うことは難しいので、ダイバータに衝突させて一旦冷ますのです。

核融合炉ダイバータの工学的難点

核融合炉ダイバータの工学的難点は、ダイバータに使う材料の選定です。

ダイバータ板に高温のヘリウムや不純物を衝突させるということは、ダイバータはその熱に耐えなければいけません。そのため、「熱に強い材料」で製作しなければいけません。

一方、地球上のどのような物質も、核融合プラズマの温度でも溶けずに耐えることはできません。そのため、ダイバータ板は微量でも溶けることになります。溶けた微量なダイバータ材料の粒子は、プラズマに逆流し、プラズマに悪影響を及ぼします。これを避けることはできません。そこで、ダイバータ材料の選定においては、「プラズマに逆流しても、プラズマへの悪影響が少ない材料」を選定します。

また、ダイバータ板が受け取った熱は、どんどん板の内部に拡散していって、冷却配管中の冷却水などで素早く除去できた方が良いのです。従って、「熱の伝わり(=物理的には、「熱伝導率」という。)」が良い素材も好まれます。

上記のような条件を満たす素材としては、タングステンやカーボンが挙げられています。ただしタングステンのように希少金属を大量に使用すると、コスト高にもなります。このように、ダイバータ板にどの材料を選定するかで、ダイバータ部のみならず、プラズマにも影響を及ぼしたり、コストにも影響してきます。

⑥ クライオスタット

ITERトカマク型核融合炉の構造物 クライオスタット

クライオスタットは、真空容器や超伝導コイルなどこれまでに紹介した炉心部の機器の、さらに外側に設置する、巨大な金属(ステンレス製)容器です。実はこのクライオスタットの中も、真空状態にするため、空気が入ってこないようにする密閉構造になっています。

皆さんも聞いたことがあるかと思いますが、真空状態では熱が伝わりにくくなります。熱を伝える空気がほとんど存在しないためです。そこで、極低温に冷やして使用する超伝導コイルを、クライオスタット内での真空環境に置くきます。そうすることで、外界からの熱の侵入を防ぎ、極低温状態を維持するのです。

もっとも、この図を見る限りは四角い穴だらけになっていますが、これらの穴は様々な装置や配管、電力ケーブルなどと接続するためのポートとなっています。

まとめ

◆トカマク型核融合炉の炉心構造を解説 まとめ◆

核融合炉でエネルギーを発生させるまでの基本的な仕組み・流れと、そのために必要な炉構造は以下のとおり。

  1. 1億度以上で高密度の重水素-三重水素プラズマを炉心で作る(プラズマの加熱と圧縮。)プラズマの中で核融合反応が起き、中性子とヘリウムが発生する。
    ➤ 真空容器・超伝導コイル・プラズマ加熱機群・クライオスタットが必要
  2. ①の中性子で、水を沸騰させ、発電タービンを回す。同時に、中性子とリチウムを反応させて三重水素を生成する。
    ➤ ブランケットが必要
  3. ②で生成した三重水素は回収して、燃料に再利用する。①で発生したヘリウムや、その他プラズマ中に残った不純物は排気する。
    ➤ ダイバータが必要

核融合炉でエネルギーを発生させるまでの基本的な仕組み・流れは、次の通りです。

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