日米融合素材協力40年を突破

Newswise – 核融合によって太陽と星がする方法でエネルギーを生成することは、科学技術が直面する大きな課題の1つです。 太陽と数十億の親戚にとって簡単なことは、地球では特に難しいことがわかりました。

地球では、科学者たちは核融合反応を引き起こすために太陽中心温度の10倍に加熱されたプラズマと呼ばれる超高温ガスを生成、制限、維持しなければなりません。 地上プラズマは磁気的に閉じ込められますが、どのような物質がそのような高温近くと強力な中性子の絶え間ない影響に耐えることができますか？ この質問は、豊富で無炭素エネルギーを提供するための経済的な核融合発電所の開発の中心です。

エネルギー省のOak Ridge National Laboratoryの科学者たちは、日本の科学者たちと協力してきました。 日本 – アメリカの核融合協力プログラムに従って 答えを決定するために数十年間。

ORNLの材料科学と技術部門の責任者であるYutai Katoは、「材料開発は、商業融合エネルギー経済を展開するための最大の技術的課題の1つです。 「もちろん、プラズマ物理学も重要ですが、核融合炉の過酷な環境に耐える材料が必要です。 非常に厳しい要件です。」

この要件は非常に厳しいので、多くの国で第2世代の科学者が40年間共同研究を行った後でも、「現在、私たちは高い中性子フラックスと核融合エネルギーを経済的に競争力のあるものにするのに十分長い極端な熱」とKatoは言いました。 。

商業規模および公益事業規模の核融合発電所を実行可能にするには、新しい材料と関連するサプライチェーンが必要です。

40年以上の間、米国と日本は将来の自己拘束融合エネルギー機械、 トカマク または ステラレータ コンセプト。 これらの協力は、ORNLの核分裂試験原子炉および放射性物質特性評価施設を含む世界最高の研究ツールのいくつかを使用しています。

Kato氏は、「日本とアメリカの核融合協力プログラムによる共同プロジェクトは1981年に始まり、広範囲の核融合物質およびエンジニアリング問題、特にこれらの物質に対する中性子放射効果を調査し続けています」と述べた。 ORNLの高フラックス同位体原子炉（HFIR）は、他の米国のテストシステムが材料に対する中性子の影響を説明するのに役立つ主要なツールでした。 加藤氏は、彼はそれほど長く続く他の科学的協力を知らないと付け加えた。 彼と共著者は、ジャーナルの論文でこのプログラムを説明しました。 昨年の核物質の。

コラボレーションは、2つの別々のプログラムとして定義されます。 一つは、いくつかの日本の大学といくつかのアメリカの研究所の研究者が参加した基礎科学プログラムです。 1981年に始まり、HFIRを使用するために1990年代にORNLを含めるように拡張されました。 2番目のプログラムは、現在、国立量子科学技術研究所（National Institutes for Quantum Science and Technology、QST）として知られている日本の政府研究室で、ORNLと日本の科学者との協力を特徴としています。 プログラムは1983年に最初にOak Ridge Research Reactorで、その後はHFIRで調査実験で始まりました。

ORNLコンサルタントであるBill Wiffenは、実験およびデモンストレーション装置に使用する材料を開発し、「このプログラムで発展することを望む究極の電力システム」を開発することを目指しました。 Wiffenは1989年までの25年間ORNL研究スタッフの一員であり、その後10年間Office of ScienceでDOE融合材料プログラムマネージャーでした。 彼は長年の協力の一部でした。

しかし、核融合発電所の候補物質があり、科学者たちは協力を続けることを熱望しています。 Katoによると、この研究は、将来の核融合システムアプリケーションに有望な3種類の材料を特定しました。 活性化が減少したフェライト/マルテンサイト鋼、酸化物分散強化鋼、炭化ケイ素複合材料です。 もう1つの材料であるタングステンは、高い熱と粒子のフラックスレベルに耐えることができる特別な用途で好ましい候補です。

Wiffenは、「私たちは、作業の可能性が最も高いという国際的な合意がある構造材料について研究しています」と述べた。 「鋼は有望に見えます。 我々はまた、タングステンがプラズマ対向物質として機能するという少しの希望を持っており、これは現在の基本プログラムの焦点です」

しかし、一度に数分間長いパルス動作を提供するフランスの国際ITER施設を含む、実験的な核融合機械のどれも、材料科学者とエンジニアが必要とする中性子への高い暴露を生成することはできません。 そのため、HFIRが非常に重要であり、「専用の核融合中性子源が必要な理由です。 これは、現在の融合コミュニティにおける新しい施設の最優先事項です。」とKatoは言いました。

材料プラズマ暴露実験また、今回の10年末に完了予定のORNLが管理するDOE Office of ScienceプロジェクトであるMPEXは、融合エネルギー装置に見られる極限のプラズマ環境で使用する材料をテストする機能を提供することでHFIRを補完します。

QSTコラボレーションは、材料の設計と開発と最終発電所の資格とライセンスデータの生成に焦点を当てていますが、「私たちにとって、これらのコラボレーションの価値は、私たちの科学プログラムを実際にエンジニアリングプログラムに結び付けることで実用的で現実的です」とKatoは言いました。

大学協力は、RTNS-II、FFTF/MOTA、JUPITER、JUPITER-II、TITAN、PHENIX、現在FRONTIERなどのプログラムを通じて、米国と日本全域の施設を活用しています。

日本は実験的です トカマク そして ステラレータしかし、材料の研究に必要な中性子を生産する計画はありませんでした。

日本パートナーとの取り組みに加え、ORNLは欧州連合や英国原子力庁との協力を強化しています。 「私たちはこのような生産的な協力が続くことを願っています」とWiffenは言いました。 「結果は、この重要な開発中の21世紀の技術を成熟させるために国際的に働く相乗価値を測定したものです。」

初期の米国 – 日本研究の最も重要な影響の1つは、異なるエネルギーで発生する核分裂および核融合反応の中性子が材料の主な欠陥の点で同様の損傷をもたらすという決定でした。 その後、コラボレーションは、様々な条件下での動的照射効果、ブランケットの概念に対する材料システムの問題、プラズマ対向部品の材料および技術を含む他の主題に焦点を当てた。 比較的基本的な研究に加えて、共同プロジェクトは、タングステンなどのセラミック複合材料や材料だけでなく、候補鉄鋼の開発に大きく貢献しました。

2023年4月、日本は核融合電力の開発と商業化に基づく産業創出を支援するための国家核融合戦略を発表しました。 そのため、すでに専属力で走っている国際レースに加わります。 Fusionの利点はとても魅力的で、政府と個人投資家の両方にとって魅力的です。 このような関心の尺度で、米国の投資家は気候変動に対するソリューションとしてプロセスを商用化するために50億ドルを注いでいます。 しかし、核融合装置の成功は、主に正しい材料を保持することに依存する。

ORNLの核融合および核分裂エネルギーおよび科学部門の副研究所長であるミッキーウェードは、世界が炭素削減目標を達成するために核融合エネルギーが必要であると述べた。

「無炭素電気の予想される世界的な需要が急増している」とWadeは言った。 「その需要を満たす唯一の方法は、将来のエネルギーミックスで大きな役割を果たす核分裂と核融合エネルギーを通してです」。

コラボレーションのため、30年前に学生として初めてORNLを訪問し、約10年後にORNL研究スタッフに加わったKatoは、「私たちは始めるために正しい材料を見つけなければなりません」と付け加えました。

UT-Battelleは、米国における物理科学分野の基礎研究を支援する最大の単一機関であるDOEのOffice of ScienceのためにORNLを管理しています。 DOEのOffice of Scienceは、私たちの時代の最も緊急の問題を解決するよう努めています。 詳しくは以下をご覧ください。 https://energy.gov/science。