米国エネルギー省の研究が示す：微量のタングステンが核融合点火に必要な圧力を大幅に向上

米国エネルギー省プリンストンプラズマ物理学研究所（PPPL）の新しい理論モデルによると、微量のタングステンが核融合プラズマにおいて、点火に必要な圧力を約2倍にする可能性がある。研究者らは、タングステンの濃度が1万粒子につき1個にすぎない場合でも、持続的な外部加熱なしで核融合反応を維持するためのプラズマ条件を大幅に改善できることを発見した。この研究はローソン基準を更新したもので、これは約70年前に定められた基準であり、核融合プラズマが十分に高温かつ高密度で、かつ十分な時間持続して点火に到達できるかを判断するために用いられる。

研究者らは、元の理想化された基準ではカバーされていなかった現実世界のいくつかの効果を取り入れた。計算結果は、より効率的な点火経路の可能性も示唆している。モデルは、まずプラズマを加熱し、その後で密度を高めることを提案しており、これがより効率的なアプローチとなり得る。

新モデルがより効率的な点火経路を提示

PPPLの物理学者ルイス・デルガド＝アパリシオ（Luis Delgado-Aparicio）氏は、「多くの企業が正面から挑戦し、多大なエネルギーを費やして目標に到達しようとしている。実は山頂を迂回すれば、より賢いやり方で同じ場所に到達でき、消費エネルギーを大幅に減らせる」と述べている。研究者らはこの経路を「コーディ・サドル（Cordey saddle）」と呼ばれる領域で記述した。この領域は、外部加熱を必要とするプラズマと自己燃焼可能なプラズマを分ける境界の最低点を表している。

理想的な純燃料プラズマにおいて、モデルはこの点を融合利得（Q）約5のレベルに設定している。これは、プラズマが生成する融合エネルギーが外部加熱エネルギーの約5倍であることを意味する。しかし、不純物、放射損失、その他の現実世界の効果によってこの点が変化し、必要な利得が増大する可能性がある。

タングステンの潜在的影響と課題

研究チームはモデルに4つの要因を組み込んだ：融合反応で生成されるヘリウム灰、炉壁から流入する軽・重不純物、シンクロトロン放射損失、プラズマから逃げる熱。PPPLの物理学者小野正幸（Masayuki Ono）氏は、「これらの効果を無視すると、設計がうまく機能すると思われるが、一度これらの要因を考慮すると状況は一変し、それらが極めて重要になる」と指摘する。タングステンの発見は、将来の核融合炉にとって特に重要となり得る。10以上の次世代核融合装置がすでに内壁材料としてタングステンを選択しており、この金属が極めて高い温度に耐えられるためだ。

しかし、1万個の粒子あたり1個のタングステン原子がプラズマに混入すると、チームの2次元計算によると、点火に必要な圧力が約2倍になる可能性がある。

これらの効果を3次元に拡張すると、必要な圧力がプラズマの安定性を維持する臨界点を超える可能性がある。研究者らは、例えば液体リチウムで炉壁をコーティングすることで、タングステンのプラズマへの混入を防ぎつつ熱保持を改善できると述べる。スピン偏極融合燃料、すなわち融合前に燃料核を揃えることも、融合反応率を高める可能性がある。興味深いことに、点火をより困難にするエネルギー損失が、燃焼プラズマの安定化に役立つ可能性がある。モデルによると、これらの損失は熱暴走を相殺できる。熱暴走とは、融合熱の増加に伴い融合反応がますます加速する現象だ。

現時点ではこれらの発見は理論の域を出ず、コーディ・サドル付近の条件に到達できる既存の実験はなく、提案された加熱優先経路を実験的に検証することはできていない。

研究者らは数値実験を実施し、この手法をさらに探求する計画だ。PPPLの物理学者ジョナサン・メナード（Jonathan Menard）氏は、「さらなる研究が必要だが、これらの結果に興奮している。この成果が、この分野における今後の研究に明確な道筋を示すものとなる」と述べている。この研究は『Physical Review Letters』に掲載された。

核融合研究におけるタングステンの重要性

タングステンの発見は、核融合技術の発展にとって極めて重要だ。極めて高い温度に耐えられるため、タングステンは次世代核融合装置の内壁材料として選ばれている。研究によると、微量のタングステンの添加はプラズマ性能を大幅に向上させるだけでなく、核融合の点火戦略を変える可能性があり、これはエネルギー効率の向上とエネルギー消費の削減に大きな意義を持つ。現在の研究はまだ理論段階にあるが、将来の実験がこれらの理論を検証し、核融合技術の実用化を前進させる助けとなるだろう。