核融合熱管理 – 1億5000万℃のプラズマを利用可能な電力に変換する
導入
星空を眺めるたびに目にする光と熱は、星内部で絶え間なく続く核融合反応の結果です。このプロセスをシミュレーションし、人類にクリーンで無限のエネルギーを供給することは、科学界が数十年にわたって追求してきた課題です。地球上で「太陽の再現」を実現するには、核融合炎を点火するだけでなく、はるかに高度な工学的課題が伴います。核融合反応によって発生する膨大な熱を安全かつ継続的に、そして効率的に管理することが、最大の課題の一つです。
核融合反応の概要
核融合とは、2つの軽い原子核が結合してより重い原子核を形成し、莫大なエネルギーを放出するプロセスです。太陽やすべての恒星のエネルギーはこのプロセスから生まれています。太陽の中心部では、重力による閉じ込めにより、極度の圧力下、約1500万℃という高温で核融合が持続的に進行します。
地球上では、太陽規模の重力に頼ることはできません。制御された核融合を実現するために、反応条件を作り出し維持するための他の方法が用いられます。主要な技術的アプローチとしては、磁気閉じ込め（トカマク装置など）と慣性閉じ込め（レーザー核融合など）が挙げられます。
どのようなアプローチをとるにせよ、有効な正味エネルギー増加を達成するには、核融合プラズマがローソンの条件を満たす必要があります。ローソンの条件とは、温度、密度、エネルギー閉じ込め時間の積が臨界値に達することです。核融合によって放出されるエネルギー、特に荷電粒子によって運ばれるエネルギーがプラズマ自体を十分に加熱すると、反応は自立的に持続可能になります。
熱発生の本質と分布
近い将来、商業化が最も期待されている重水素-三重水素（DT）核融合反応では、1回の反応で約17.6MeVのエネルギーが放出されます。このエネルギーは均一に放出されるわけではなく、主に中性子（約14.1MeV）とアルファ粒子（約3.5MeV）という2つの生成物によって運ばれます。
中性子は電荷を持たないため、磁場とほとんど相互作用せず、プラズマからまっすぐに飛び出し、周囲のブランケット構造を貫通します。そこで中性子はブランケット材料（リチウム、鉛、ベリリウムなど）との核反応によって減速し、運動エネルギーを放出します。そのほとんどが熱エネルギーに変換されます。この熱エネルギーは、放出される核融合エネルギー全体の約80%を占め、利用可能な核融合エネルギーの主な出力となります。
荷電アルファ粒子は磁場によって閉じ込められ、そのエネルギーの大部分をプラズマ内部に蓄えて自己加熱するため、外部からの加熱電力の必要性が減少します。さらに、プラズマは放射線によってエネルギーの一部を失い、それが最内壁の第一壁に直接影響を及ぼします。
したがって、核融合エネルギーを効率的に利用するために、ブランケット内の中性子による熱と第一壁の放射線/粒子熱を、堅牢な熱伝達および変換システムを介して確実かつ効率的に電気に伝達することが重要です。
熱伝達の重要なリンク
高温の冷媒は熱を運び、それを後続のエネルギー変換システムに伝達する必要があるため、このギャップを埋めるために熱交換器が必要になります。
熱交換器の役割
核融合エネルギー変換システムでは、熱交換器によって高温の冷却剤から作動流体（通常は水または他の適切な流体）へ熱が伝達されます。作動流体は熱を吸収し、相変化を起こして液体から高温高圧の蒸気へと変化します。
核分裂発電所の加圧水型原子炉と同様に、一次ループの高温冷却材は二次ループの水と熱を交換し、それを蒸発させて下流の発電用の蒸気を生成します。
先進サイクル：超臨界CO₂ブレイトンサイクル
近年、超臨界二酸化炭素（sCO₂）ブレイトンサイクルが魅力的な選択肢として浮上しています。高温域では、CO₂は従来の蒸気サイクルよりも高い熱サイクル効率（40%を超える可能性あり）を達成し、よりコンパクトな設備で実現可能です。
核融合熱管理の目標と課題
核融合熱管理の目標は、中性子と放射線によって放出された熱エネルギーを安全かつ効率的に利用可能な電力と熱資源に変換することです。これを実現するには、高温・耐放射線材料の飛躍的進歩、効率的で信頼性の高い冷却ソリューション、高度な熱サイクルの統合、そしてシステムの安全性と保守性の包括的な向上が不可欠です。
現在、国際熱核融合実験炉（ITER）や国家の核融合工学試験炉（中国のCFETRなど）などの国際的な取り組みにより、これらの方向で広範な実験と検証が行われています。
シェンシーについて
2005年に設立された杭州神石省エネ技術有限公司（SHENSHI）は、エネルギー効率の高い熱伝達技術とマイクロ反応技術を専門とするハイテク企業です。低炭素熱管理のパイオニアとして、神石はエネルギー、海洋・オフショアエンジニアリング、水素、医薬品、先進製造などの業界向けに、高性能熱交換器とマイクロリアクターの設計・製造を行っています。
40 か国以上にソリューションを展開する Shenshi は、要求の厳しい産業用途向けに信頼性が高く、効率的で持続可能な熱技術を提供することに注力しています。