イギリスのMAST Upgrade核融合施設は、商業核融合の大きな課題の一つである、強力なプラズマを不安定にせずに生成する方法において重要な進展を遂げました。科学者たちは、MAST Upgrade施設で史上最高のプラズマ圧力を達成し、同時にプラズマの安定性を維持しました。これは、イギリスが実用核融合に向けて重要な一歩を踏み出したことを示しています。このブレークスルーは、イギリス原子力庁（UKAEA）によって発表され、同機関は機械の5回目の実験運転を完了した後、2025年から2026年まで続くこの実験運転で1,100以上の融合プラズマを生成しました。
イギリスの核融合研究における重要なブレークスルー
この成果が重要である理由は、将来の融合発電所が非常に高温、高圧、高密度で運転される必要があり、同時にプラズマを正確に制御する必要があるからです。核融合は太陽を駆動するプロセスです。地球上では、科学者たちは水素同位体を非常に高温に加熱し、プラズマという熱く帯電した物質の状態を形成することでこのプロセスを再現しようとしています。融合反応をより効率的にするためには、科学者たちは燃料を高温・高密度に加熱し、効果的に制限する必要があります。特に圧力が重要で、高圧プラズマは一定の体積からより多くの融合エネルギーを生成できるため、高圧操作は将来の商業融合炉において考慮すべき重要な要素です。
しかし、プラズマ圧力を高めることは主要な問題も引き起こします：不安定性です。最も深刻な課題の一つは、エッジ局所モード（Edge Localised Mode、ELM）と呼ばれるものです。ELMは融合プラズマのエッジで発生する突然の不安定性の爆発であり、周囲のコンポーネントにプラズマが蓄えたエネルギーのかなりの部分を迅速に放出する可能性があります。UKAEAによれば、単一のイベントで約10分の1のプラズマ蓄積エネルギーが排出される可能性があります。繰り返されるイベントは、将来の融合発電所の壁や排気コンポーネントを損傷し、メンテナンスの必要性を増加させ、融合エネルギーの経済的実現可能性を脅かす可能性があります。
言い換えれば、非常に高温のプラズマを生成することは課題の一部に過ぎません。科学者たちは、プラズマを制御された状態に保つ方法も見つけなければなりません。UKAEAのMAST Upgrade科学部門の責任者であるジェームズ・ハリソン（James Harrison）は、「これらの結果は、将来の融合発電所の設計を本当に形作っています。QHモード、QCEおよびIモードを含む4つの安定した高性能プラズマ状態に入ること、そして我々の世界初のプラズマ位置制御技術は、MAST Upgradeが科学の最前線での成果を示していることを示しています。」と述べました。
彼はさらに、「国際的な我々のデータへの関心は、イギリスが世界の融合研究において中心的な役割を果たしていることを反映しており、これらの発見は我々を実用的な融合エネルギーに近づけています。」と付け加えました。
MAST Upgrade実験が示すプラズマ制御の新しい方法
最新のMAST Upgrade実験は、プラズマ圧力を高める状況下でもこの目標が達成可能であることを示しました。MAST Upgradeチームは、有害な不安定性を抑制または減少させることを目的としたいくつかの先進的な操作モードを研究しました。これらのモードには、準連続排出（Quasi-Continuous Exhaust、QCE）や共鳴磁気擾乱（Resonant Magnetic Perturbations、RMP）、さらに静止Hモード（Quiescent H-mode、QH-mode）とIモードの2つの追加モードが含まれます。
これらの方法は、プラズマの制限を改善し、大型ELMに関連する有害な影響を減少させることを目的としています。
実験は、MAST Upgradeが将来の融合機械に関連する条件下で4つの異なる安定した高性能プラズマ状態を取得できることを示しました。この成果は実験自体を超え、最終的な目標は発電用の機械の設計に組み込むことができる操作方法の開発です。その中で最も注目すべき進展の一つは、プラズマ位置をリアルタイムで検出し制御する新しい方法です。MAST Upgradeチームは、機械の排気領域で生成される重水素の可視光を測定に利用しました。これらの光を分析することで、研究者たちはプラズマ内の微小な位置不均衡を検出することができました。
この方法の重要性は単なる実験監視を超えており、将来の商業融合発電所には、プラズマの変化に迅速かつ正確に反応できる高度な自動制御システムが必要です。
融合炉は、プラズマの安定を維持するだけでなく、膨大な熱と粒子の放出を処理する必要があります。MAST Upgrade実験では、プラズマのエッジで窒素を使用する状況を調査しました。研究者たちは、少量の窒素を追加することで、大量に放出されるエネルギーが光の形で放出されることを発見しました。
項目 規格 プラズマ圧力 史上最高 実験運転期間 2025年から2026年