100% % 60% 40% その他火力発電原子力発電 20% 0% 図 1: 電源別発電量構成比

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こうごおまた
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1 核融合発電実現に向けて所属 : 工学系 2 年 8 組 25 番橋詰遼太第 1 章はじめに第 1 節主題設定の理由地球温暖化が問題視される中原子力発電は火力発電に代わる主力エネルギー源として期待されていたしかし福島第一原子力発電所の事故の影響で風向きが大きく変わり新たな発電方法が必要とされている知名度は低いがその候補の一つとして核融合発電が挙げられる核融合発電は二酸化炭素を排出せず大規模な発電が可能なエネルギー源である太陽光発電や風力発電といった他のクリーンエネルギーは一部実用化されているが核融合発電は研究段階である核融合発電がエネルギー問題の解決策となるのか知りたいと思いこのテーマを設定した第 2 節研究のねらい現在様々な化石燃料代替エネルギーが研究されている核融合発電は次世代のエネルギーとしてふさわしいのかを検証する第 3 節研究の見通し現在の日本のエネルギー事情について調べ核融合発電の長所短所を明らかにして実用化について考察する第 4 節研究の内容と方法 1 研究の内容核融合発電の利点問題点実現までの課題 2 研究の方法書籍インターネット第 2 章研究の展開第 1 節現在のエネルギー事情震災以前は火力発電が約 6 割原子力発電が約 3 割であった 2012 年は原発停止の影響で火力発電が 8 割を超えている ( 図 1) クリーンエネルギーはまだあまり普及していない 2013 年 11 月の統計によると石油石炭液化天然ガスの輸入額は 2010 年 11 月と比べて 63% 増となっている火力発電用の燃料の増加に加え円安も加担している燃料価格は大きく変位するため状況によっては火力発電の発電コストは高くなる燃料を輸入に依存している日本にとって火力発電が高い割合を占めている現状は危険である 1

100% 8.8 9.4 9.7 10.4 10.0 80% 60% 40% 65.2 61.3 61.7 78.9 88.3 その他火力発電原子力発電 20% 0% 26.0 29.3 28.6 10.7 1.7 2008 2009 2010 2011 2012 図 1: 電源別発電量構成比第 2 節核融合発電の特徴 1.

2 100% % 60% 40% その他火力発電原子力発電 20% 0% 図 1: 電源別発電量構成比第 2 節核融合発電の特徴 1. 仕組み核融合発電で用いる核融合反応は重水素 2 H とトリチウム ( 三重水素 ) 3 H によるものである重水素の原子核とトリチウムの原子核は互いに +の電気を持っているため秒速 1000km まで加速させて原子核の反発力が働く前に衝突させるこの衝突でヘリウム原子核と中性子が生じる ( 図 2) 反応の際には非常に大きなエネルギーが発生する核融合発電ではこの反応を核融合炉内で起こしてエネルギーを取り出す反応を維持するために投入されたエネルギーより生成されたエネルギーが上回れば発電が可能になる核融合炉には様々な種類があるがここでは現在最も研究が進んでいると言われているトカマク型について説明したいまず炉内で重水素とトリチウムを加熱してプラズマにする必要があるプラズマとは原子が原子核と電子に分離し超高温ガスとして混在している状態であるプラズマの粒子の密度は大気の 10 万分の1しかないので炉内のプラズマの質量は 1g 程度であるさらにこのプラズマを 1 億以上の超高温にすることで前述の核融合反応が起こる 1 億に耐えられる材料は存在しないためプラズマを磁力で容器内に浮かせる反応で生じたエネルギーの 80% は中性子の運動エネルギーでありブランケットとよばれる炉を囲む厚い壁で中性子の運動エネルギーを熱エネルギーに変換するブランケット内には高圧冷却水が流れていて熱を奪い取る高圧冷却水は蒸気になりタービンを用いて発電機を回す熱を蒸気にしてタービンを回す過程は原子力発電と共通であるブランケットにはリチウムが含まれていて中性子との反応でトリチウム( 三重水素 ) が生成される生成されたトリチウムは燃料として使われる 2

3 図 2: 核融合反応図 3: トカマク型核融合炉 (ITER) の内部構造出典 Newton 別冊アインシュタインの世界一有名な式 E=mc 2 P 利点発電量実用炉では 100kW 級の出力が見込まれている火力発電 1 基の出力は 100~150 万 kw 程度なので十分代替となりうる核融合反応が発するエネルギーは莫大であり 200kg の燃料で出力 100 万 kw の発電所を 1 年間運転できる二酸化炭素排出ゼロ核融合発電は火力発電のように燃料を燃焼させないため二酸化炭素を排出しない火力発電を核融合発電に置き換えられれば地球温暖化対策として有効である無限の燃料最大のメリットは燃料となる資源が無尽蔵に存在し化石燃料のような枯渇の心配がないことであるトリチウムは自然界では非常に希少な物質であるが前述の通りブランケットで生成することができるよって核融合発電の運転で必要な燃料は重水素とリチウムである重水素とリチウムはともに海水中に豊富に存在しているため抽出が可能になれば地上での採掘に依存する必要がなくなる安全性原子力発電のような暴走が起こらない核融合反応は連鎖反応の核分裂反応と異なり 1 億という厳しい条件下でないと反応を維持することができない異物が燃料に混入するなどの異常が起きたとしても一気に温度が下がり反応が止まってしまう原子力発電は一定量の燃料を容器の中に閉じ込めて反応を起こすのに対して核融合発電では常に燃料を炉に供給して反応させている異常を察知した瞬間に燃料の供給を止めて反応を停止させることができる 3

4 3. 問題点電磁波プラズマを制御するコイルの電磁波が強力である特殊な材料を使って磁力の耐えられる構造にする必要がある電磁波は距離の 2 乗に反比例して減衰することや運転の時は炉の周辺が無人化するため人に大きな影響は与えることはないと考えられている放射性廃棄物放射性廃棄物が生じてしまうことは大きな課題である中性子は炉の壁や鋼材などを放射化する特性がある定期的に交換する必要がある機器の中には高レベル放射性廃棄物となるものも出てくる放射性の減衰時間が短い低放射化材料が開発されれば放射性廃棄物を減らすことができるまた原子力発電よりも放射性廃棄物は少なくできると予測されている第 3 節核融合発電実用化に向けて 1. 技術的課題超伝導コイルプラズマを浮かせるためには超伝導コイルが必要とされている従来の実験炉で使用されてきた銅のコイルでは強力な磁場を発生することができないため持続運転が困難だった超伝導コイルは低温にすると抵抗がゼロになり超強力な磁力を発生させる通常のコイルでは強い磁場を発生させるために大きな電流を流す必要があるが超伝導コイルでは冷却装置の電気だけで済む強い磁場を発生できる超伝導コイルの開発が必要である中性粒子ビームプラズマの加熱装置の研究が必要である加熱装置として用いられるのは中性粒子ビームである炉の強い磁場によって反発されないように中性化した負イオンを加速させてプラズマに到達させる長時間の照射が課題でありプラズマの保持時間は中性粒子ビームの連続照射時間にかかっている材料安全性を確保するためには材料の開発も欠かせない前述の通りできるだけ部材を放射化させないために低放射化材料が必要である炉壁は特に放射化されやすいため材料の選定がされている現在青森県に材料開発ための研究施設が建設されているまた中性子は建屋まで到達するため低放射化コンクリートも必要である低放射化コンクリートは原子力発電所でも使われているため応用できるロボット工学中性子にさらされ続けるブランケットは数年おきに交換が必要である炉の中心部は放射線量が非常に高いためロボットによる交換作業になる 1 個 4 トンのブランケットを遠隔操作で取り付け取り外しをしなければならないので高度な技術が要求される 4

5 燃料比較的少量の燃料で運転できるため重水素リチウムの確保は難しくないと考えられている重水素は水素から生成することができるしかし地下資源のリチウムはいつかは枯渇してしまうそこで海水から重水素とリチウムを生成する方法が研究されている海水中には重水素リチウムともに豊富に含まれているためこの技術が確立すれば無限に燃料を確保できるイーター 2. 国際熱核融合実験炉 ITER ITER は核融合エネルギーの研究のための実験施設であるフランスのカダラッシュに建設中で 2018 年に完成予定である日本 EU ロシアアメリカ中国韓国インドが協力する国際事業である中でも日本は早くから核融合の研究を進めているため技術力があり ITER 計画では主導的地位にあるプラズマの閉じ込め方式はトカマク型である図 3 の人との比較で分かる通り実験施設としては非常に巨大で直径は 26m である出力は 50~70 万 kw を目指している反応を起こすために投入するエネルギーの 10 倍のエネルギーを発生させることを目標としている中性子や磁力による炉やブランケットへの影響や損傷具合のデータを取ることも目的である今までの実験炉では発電を目的としたものではなかったが ITER では初めて発電に向けた実験を行うブランケットの熱を取り出す技術の向上が必要であるまた ITER で培われた技術による波及効果もある例えばプラズマの加熱に使われる中性粒子ビームはハードディスク製造用機械に応用されている超伝導コイルは医療用の MRI の高性能化に寄与する 3. これからの見通し実用化までに実験炉発電実証炉実用炉という手順を踏まなければならない ITER は実験炉に当たるのでまだ先は長い 2027 年に ITER で重水素とトリチウムを使った運転が開始される見込みである実用炉の商業運転開始は 2050 年以降とみられているそれまでに前述の特殊な材料を開発しなければならないまた実用炉として発電するためにはエネルギー増倍率を Q=20 まで引き上げる必要があるつまりプラズマの加熱のために投入されるエネルギーの 20 倍のエネルギーが出力されるということである ITER の目標値は Q=10 であり Q=20 まで引き上げるためには炉の耐久性を向上させる工学とプラズマ物理の発展が欠かせない第 3 章まとめ調査をする前までは核融合発電というと原子力発電が頭に浮かんでどこかしら危険な面があるだろうと思っていた調査を進めていくと原理的に原子力発電のような爆発事故は暴走が起こらないことが分かり原子力発電並みの出力があることや二酸化炭素も排出しないことからこれこそ将来のエネルギーとしてふさわしいのではないかと思うように 5

6 なったしかしまだ問題も多い放射性廃棄物が出ることには違いなく決して完璧な発電方法とはいえない放射性廃棄物の処理能力を向上できればより主力エネルギー源としての可能性が高くなると思う核融合発電は新材料の開発が成功することが前提のためこれからますます材料の研究が重要になると思う長期にわたる計画であり先を見越した研究が必要である実用化されるのは最短でも 2050 年なのでちょうど自分たちの代がつくり上げていくプロジェクトだと思う調べていた中で疑問に思ったのは核融合反応で作られた熱エネルギーを従来の発電方法のように蒸気タービンを使って発電していることである炉などの中心部は相当高度な技術でありながら熱エネルギーの変換方法が変わっていないのは不釣り合いに感じた現在の技術では蒸気タービンが最も効率よく変換できるらしいが他の方法も研究の余地があると思う本論では書かなかったが技術的な問題以外では研究費が重要である ITER 計画では 1.6 兆円かかると言われている費用に関しては政治的なことも大きくかかわってくる数十年先の計画のために莫大な研究費を投じるのはリスクが高いように感じられるが環境問題とエネルギー問題は早急に取り組む必要があると思うまた世界の技術を結集させる必要があり国際間の連携が非常に重要である海水から燃料の重水素とリチウムの抽出ができれば資源乏しい日本でもエネルギーの自給が可能になるまた資源をめぐる争いがなくなり核融合発電はエネルギー問題の解決の一助となるだろう核融合発電が実用化されるのは 40 年以上先でありそれまでは既存の発電方法と太陽光発電などのクリーンエネルギーを併用することになると思う現在の快適な生活がエネルギーによって成り立っていることを実感し個人個人が将来の日本のエネルギーを考えることが大切である < 参考文献 > 狐崎昌雄吉川庄一新核融合への挑戦いよいよ核融合炉へ講談社 Newton 別冊アインシュタインの世界一有名な式 E=mc 2 ニュートンプレス < 参考 Web ページ> icsfiles/afieldfile/2013/05/17/ kouseihi_2012.pdf( 電気事業連合会 ) 日本経済新聞 ) 国際熱核融合実験炉 ITER) 日刊工業新聞 ) (Wikipedia 核融合炉 ) 6

7 %83%88(Wikipedia ブランケット ) ITER) 7

() 実験 Ⅱ. 太陽の寿命を計算する秒あたりに太陽が放出している全エネルギー量を計測データをもとに求める太陽の放出エネルギーの起源は, 水素の原子核 4 個が核融合しヘリウムになるときのエネルギーと仮定し, 質量とエネルギーの等価性から回の核融合で放出される全放射エネルギーを求める 3.から

() 実験 Ⅱ. 太陽の寿命を計算する秒あたりに太陽が放出している全エネルギー量を計測データをもとに求める太陽の放出エネルギーの起源は, 水素の原子核 4 個が核融合しヘリウムになるときのエネルギーと仮定し, 質量とエネルギーの等価性から回の核融合で放出される全放射エネルギーを求める 3.から 55 要旨水温上昇から太陽の寿命を算出する 53 町野友哉 636 山口裕也私たちは, 地球環境に大きな影響を与えている太陽がいつまで今のままであり続けるのかと疑問をもちましたそこで私たちは太陽の寿命を求めました太陽がどのように燃えているのかを調べたら水素原子がヘリウム原子に変化する核融合反応によってエネルギーが発生していることが分かったそこで, この反応が終わるのを寿命と考えて算出した

100% % 60% 40% その他 火力発電 原子力発電 20% 0% 図 1: 電源別発電量構成比

100% % 60% 40% その他火力発電原子力発電 20% 0% 図 1: 電源別発電量構成比