核融合は、太陽のプロセスを模倣することにより、ほぼ無制限の持続可能なエネルギー源を約束します。ただし、実用的な核融合を達成するには、物理的な重要な課題を解決する必要があります。ウィスコンシン大学（UW）マディソン校の研究者らは最近、トカマクと呼ばれるリング型原子炉を使用することで、これらの障害の1つを克服するという重要な進歩を遂げた。彼らの研究は、グリーンワルドの限界という重要な障壁を 10 倍も突破しました。
核融合：トカマクがグリーンワルド限界を超える
グリーンワルド限界は、トカマクの加熱されたプラズマ内の電子密度の上限を設定しており、これまで核融合炉の効率と安定性を制限してきました。マクシミリアン・ヘベール率いるカリフォルニア大学マディソン校チームは、マディソン対称トーラス (MST) を使った実験を実施しました。研究者らは、安定した条件下でこの限界を超えることに成功し、それによって不可能を達成しました。彼らの成功は、プラズマを閉じ込める磁場を安定させる MST の厚い導電性の壁と調整可能な電源にかかっています。
トカマクは、強力な磁場を利用してプラズマをドーナツ型の容器に閉じ込めます。トロイダル (トーラスの周りに巻かれた) コイルとポロイダル (プラズマに電流が流れる) コイルによって生成されるこれらの磁場は、非常に高温のプラズマを安定に保ちます。トカマクの内部では、高温高圧下で軽い原子核が融合してより重い原子核を形成し、エネルギーを放出します。放出されたエネルギーを利用して、太陽と同様に発電することが目的です。
したがって、核融合には、プラズマ内に荷電粒子を捕捉することによって生成される極度の熱が必要です。しかし、高電子密度においてそのような反応炉の安定性を維持することは困難でした。研究者らは、グリーンワルド限界を超えることで、プラズマを不安定にすることなく、より高い電子密度、つまりより多くの反応とエネルギーを達成できることを示しました。
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「MSTは全く違います」
研究チームの結果は、プラズマの不安定性ではなく、ハードウェアの制限が最大電子密度を決定することを示唆している。 「私の仕事は、プラズマを不安定にする方法を見つけることでした」とウィスコンシンプラズマ物理研究所（WiPPL）の科学者であり、Physical Review Lettersに掲載された研究の主著者であるノア・ハーストは説明した。 「試してみたところ、多くの場合、不安定ではないことがわかりました。それは意外でしたね。」
これはトカマク核融合にとって重要な成果であり、より大型の原子炉の建設とエネルギー生産の増加における最近の成功を補完するものである。 MST 実験は、核融合反応に典型的な超高温では行われていないため、将来の研究ではこれらの条件をスケールする必要があります。ただし、実験設定が他のものと異なる点はこれだけではありません。
「MSTは、ほとんどのトカマクよりも厚い壁で設計されているため、非常に異なっています」とハースト氏は続けた。 「さらに、ほとんどのトカマクはより抵抗の低いプラズマを生成するため、機能するために私たちのような高電圧は必要ありません。」
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さらなる進歩のための礎石
ハースト氏は、プラズマについてはさらに研究する必要があることを認めた。しかし、彼は、ここから得られた知識が、より高密度でより強力な核融合装置につながる可能性があると自信を表明した。国際原子力機関（IAEA）会議で事前に公開されたスピーチの中で、同じく研究に関わったブレット・チャップマン氏も結果についてコメントした。
「なぜMSTがこれほど高いグリーンワルド率で運用できるのかを理解するための研究が現在進行中です。これらのプラズマを地球規模で維持する上で電源が果たす明らかな役割に加えて、エッジ電流を維持するための鍵となる可能性もあります。伝導容器は重要な役割を果たす可能性があります。 B. 抵抗壁引き裂きモードでの成長を遅らせ、熱クエンチングを妨害するという最近予測された役割。」
ブレット・チャップマン
出典: 「グリーンワルド限界の最大 10 倍の密度を持つトカマク プラズマ」 (Physical Review Letters、2024)。ウィスコンシン大学マディソン校。国際原子力機関