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平成23年10月24日

ヘリカル原型炉を設計する ―より魅力的な核融合発電所を目指して―

 

 

  大学共同利用機関法人 自然科学研究機構
 

核融合科学研究所

 大型ヘリカル装置(LHD)の建設や運転の経験、およびプラズマ実験の成果に基づいて、核融合エネルギーによる定常的な発電を実証する装置として、「ヘリカル原型炉」の設計活動を進めています。今回は、そのヘリカル原型炉の仕様を決めるためのシステム設計研究を紹介します。

 将来の核融合発電所は、安全であるとともに、30年以上の長い期間安定して、かつできるだけ安いコストで発電することが求められます。その実現に向けたさまざまな課題をクリアするため、現在進めているLHDによるプラズマ実験、理論シミュレーション研究および工学研究の成果を基にした設計研究が必要です。LHDにおいて核融合発電を見通せるプラズマの高性能化を達成した後には、海辺に核融合発電所の試験施設(原型炉)を建設して、実際に核融合反応によるエネルギーで発電を行うためのさまざまな機器の性能を確認することになります。これはちょうど新幹線の実用化と同じで、まずは在来線の線路と車両を使って段階的に走行速度を上げて試験をし、その結果を受けて実際の営業運転に使うものと同じ線路、架線、信号などをそろえたテストコースを作り、試作車両を用いて速度、耐久性などの確認を行ったことに対応しています。
 このような原型炉を設計するためには、まず、装置の大きさや磁場の強さなどの主要な仕様を決める必要があります。効率よく核融合反応を起こすためには、プラズマを閉じ込める時間を長くする必要がありますが、それには装置の大きさ、磁場の強さ、プラズマから発生するエネルギーの3つをそれぞれ大きくすればよいことが分かっています。しかし、装置を大きくしたり磁場を強くすることは、建設コストの増加につながり、また、プラズマから発生するエネルギーが大きすぎると、発生する熱を直接受ける機器の寿命が短くなってしまいます。そのため、核融合炉全体をひとつのシステムと見て、プラズマや装置、各種機器などの核融合炉を構成するさまざまな要素間の関係を明らかにして、全体のバランスをとる必要があります。このようにして、より魅力的な核融合発電所の形を決めていくのがシステム設計の役割です。
 現在、ヘリカル原型炉の設計は、LHDの4倍程度の大きさをひとつの目安として進めています。ヘリカル原型炉は今後20年程度で建設を始める予定ですが、プラズマ実験や工学技術の研究開発がさらに進めば、より低コストで運転のしやすい、魅力的な設計が可能になります。そのためには、最新の研究の成果を常に反映して、まだ不確実な部分の多い核融合反応が起きているプラズマの性能や、その環境下に長く置かれた機器性能の変化について、予測の信頼性を高めていくこともシステム設計の重要な役割です。このような作業の繰り返しによって、より早い段階での原型炉、そして核融合発電所の運転開始に貢献していきます。


以上