地上の太陽の実現に向けてー核融合研究の現状ー

自然科学研究機構 核融合科学研究所
小林 真
2020年10月17日大学共同利用機関シンポジウム２０２０（オンライン）

1

はじめに
世界には人口増加によるエネルギー需要増加、地球温暖化など、解決しなければならない問題がたくさんあります。
核融合発電が実現すれば、これらの問題を一気に解決できる可能性があります。

１．燃料は無尽蔵
主要なエネルギー資源の可採年数（２０１８年BP統計、IAEA「Uranium２０１６」）
石油５０年、天然ガス５３年、石炭１３４年、ウラン１０２年
核融合炉に必要な資源は重水素とリチウム⇒海水から無尽蔵に取り出せる⇒燃料が偏在しない、戦争のタネにならない

２．制御することが容易
暴走することはありえない。確実に停止する。

３．二酸化炭素を出さない、など「夢のエネルギー」と呼ばれる核融合研究の現状と、核融合科学研究所で行われている最先端研究について紹介します。 2核融合とは？
核融合とは？

核融合とは、２つの原子核が合体して別の原子核になることです。この時、エネルギーが発生します。
太陽などの恒星では、水素原子核同士が核融合反応を起こし、ゆっくりと、約46億年燃え続けています。
また、太陽は地球の33万倍の重さを持ち、その重力(地球の28倍)で粒子を閉じ込めています。
↓「地上の太陽」は可能か？

3

地上の太陽とは？
核融合に必要な超高温の条件では物質はプラズマの状態になります。

太陽 約2x1030 kg
重力重力地上の太陽 0.1g以下
原子核(イオン)

磁石
重力

重力

電子 磁力線磁石

核融合反応で発生する粒子及びエネルギーを用い、プラズマ磁場でプラズマを閉じ込める！
を維持しつつ燃料生産・発電が可能なシステム(c) JAXA/国立天文台
4

核融合炉を実現させるためにはプラズマ中に電流を流すコイルをねじる

プラズマ閉じ込めに必要なねじれたドーナツ状の磁場

トカマク
特長：核融合炉の必須条件達成
課題：定常運転の確立

核融合の２大課題＝ヘリカル
特長：定常運転が可能
課題：プラズマの高性能化

高性能プラズマ
核融合炉の必須条件
・温度 1億2,０００万度以上
・密度 100兆個/cm3以上
・閉じ込め時間 1秒以上

実証
国際熱核融合実験炉
ITER（トカマク）＋定常維持（商用炉に必須）実証
LHD（ヘリカル）
JT-60SA（トカマク）
5世界中で研究が進められている
ヘリカル

トカマク

ヘリカル

ヘリカル

トカマク

ヘリカル

トカマク

ヘリカル

トカマク

6

核融合科学研究所 (岐阜県土岐市)

核融合科学研究所は大学共同利用機関として国内外の大学・研究所と共にヘリカル型核融合炉の実現へ向けた学術研究を展開しています。
また、教育機関として、次世代の優れた人材を育成し、社会と連携しながら核融合プラズマに関する教育を推進しています。

7

大型ヘリカル装置 LHD（本体室）
世界最大級の超伝導核融合プラズマ実験装置
約20年に渡る軽水素実験の後、２０１７年3月7日より重水素ガスを用いたプラズマ実験（重水素実験）を実施

装置の高さ：約９ｍ
装置の直径：約１３ｍ
装置の重量：約１５００トン

8

大型ヘリカル装置 （真空容器内）
らせん型の超伝導コイル（ヘリカルコイル）によりドーナツ型のねじれた磁力線のカゴをつくることでプラズマを閉じ込める
47分39秒放電 #124579
ガス

軽水素

イオン温度

2,300万度

密度12兆個/cm3

加熱方法

電磁波加熱

加熱総電力

1,200kW

入力総電力量ICH,ECH

3.4GJ
世界記録

定常運転を世界最高レベルで実証しています9

重水素実験を開始
重水素ガスを用いて高温度を実現し、目標達成を目指す
２０１７年３月７日、重水素実験を開始
重水素プラズマ点火

重水素ガスによる最初のプラズマ

10重水素実験を開始
・重水素のプラズマ実験を２０１７年から開始
運転の調整
・加熱装置の調整、入射タイミングの最適化
・ガスの入射量、タイミングの最適化

密度（兆個/ｃｍ３）

イオン温度1億2,000万度の達成

核融合炉の必須条件の一つである
イオン温度：1億2,000万度を世界で初めてヘリカル装置で達成（密度：１3兆個/ｃｍ３）

重水素実験により核融合プラズマ研究が大きく進展中

11

プラズマ高性能化研究の進展
２０１９年度の成果：輸送障壁形成により高性能プラズマを実現
・イオン温度と電子温度が共に１億2,000万度以上のプラズマの実現が必要。
・熱の流れを堰き止める輸送障壁を形成することで電子温度1億5,000万度を達成。
ＬＨＤの最終目標である、イオン温度と電子温度が共に1億2,000万度以上の同時達成を目指す。

高イオン温度を保ったまま高電子温度を実現。
12

総合的な核融合研究を展開
装置規模でのプラズマ挙動やプラズマ内の複雑な現象をスーパーコンピュータの中に再現し、核融合プラズマ現象を支配する物理法則の理解を目指したシミュレーション研究や、将来のヘリカル方式の核融合炉を想定した概念設計と、その開発に必要な工学研究を進めています。
 核融合炉においてはプラズマ内での核融合反応により高エネルギーの中性子が発生し、このエネルギーを用いて発電を行います。
 広い空間に渡る散乱中性子の分布の制御・管理方法の確立や、中性子測定によるプラズマの状態診断に使用する高い耐放射線性を有する中性子モニターの開発が必要です。

核融合炉の実現のため、中性子の空間分布・エネルギー評価法の確立や人工ダイヤモンドを使用した中性子検出器の開発を行っています。

①(1) 核融合エネルギーの熱への変換
中性子エネルギーの熱への変換②(2) 燃料の生産
燃料の生産③(3) 中性子及びガンマ線の遮蔽
中性子及びガンマ線の遮蔽

13中性子計測研究で核融合開発へ寄与
大型ヘリカル装置の重水素実験で発生する熱中性子の空間分布を放射化法および放射線イメージング手法により評価しました。これにより周辺機器の誤動作など放射線影響評価やその安全管理の精度が向上しました。
さらに、この中性子場を生かし、核融合炉での利用が検討されている先進中性子検出器である単結晶CVDダイヤモンド検出器の特性評価を行っています。

Cividec, Knopf detector

LHD本体室の鳥観図と熱中性子束分布. 赤い点は測定点.

単結晶CVDダイヤモンド検出器

14人工ダイヤモンド中性子検出器
ダイヤモンドは耐放射線性、耐熱性が高いため将来の核融合炉における中性子モニタとして有望視されています。
ダイヤモンド内への放射線入射により誘起される電流を計測し、電流の流れ方、大きさから入射した放射線の種類・エネルギーを推定するプログラムを作成し、その原理実証研究をしています。
モンテカルロ法という乱数を用いたシミュレーション技法を使用し、検出効率の評価を行うなど、包括的な検出器の特性評価研究を進めています。
ダイヤモンド中性子ビームダイヤモンド検出器で弁別測定された各粒子とそのエネルギー（Qは粒子のエネルギーを表す）

中性子のダイヤモンドへの輸送シミュレーション

15

核融合環境を医療研究へ応用
自然科学研究機構の支援の下、基礎生物学研究所、名古屋大学、藤田医科大学、徳島大学との共同研究にて、大型ヘリカル装置の重水素プラズマ内で発生する中性子を有効活用した放射線治療の基礎研究を開始しました。
ホウ素中性子捕捉療法(BNCT)
生物・物理・医学・工学分野の研究者が連携することで、ＢＮＣＴの治療効果を研究しています。
また、単結晶CVDダイヤモンド検出器をＢＮＣＴ用リアルタイム中性子モニターに応用するなど、核融合研究で培った技術の異分野へ応用・展開を積極的に行っています。
16

核融合研究は着実に進展
いくつかのブレークスルーを経て、着実に研究が進展
1950年代から研究が本格化
1990年代にDTによる核融合反応を確認（重水素・三重水素）

ITER
ITER DT実験
実験開始
JT-60SA実験開始

プ
LHD
1.2億度達成！
ラDT実験
ズ
出力/入力～１0出力/入力～１達成！
マのHモード発見！
高温プラズマ実験から核融合実験へ
性1000万度達成！
（材料研究、高温超伝導、制御技術など）
能装置の大型化
1960

1970

1980

1990

2000

西暦

2010

2020

2030

2040
17

まとめ
 核融合研究は、「地上の太陽」をつくり、人類に無尽蔵のエネルギーをもたらす挑戦です。
 核融合科学研究所では大型ヘリカル装置を中心に、核融合プラズマ実験研究、理論シミュレーション研究、核融合工学研究を有機的に連携させながら、核融合発電の実現を目指した研究・教育を推進しています。
 核融合発電の実現のため、中性子の空間分布・エネルギー評価法の確立や先進中性子検出器の開発を行っています。
核融合研究は着実に前進していますが、その実現のためにはさらなる研究が必要です。一緒に地上の太陽を実現してみませんか？
18

「地上の太陽」の実現に向けて、ぜひ一緒に研究しましょう！

19