中国核融合工学試験炉

中国核融合工学試験炉は、安徽省合肥市に計画されている。内部コイルによる垂直不安定性制御、不純物制御、アルファ粒子輸送、ディスラプションの回避と緩和、タイプI ELMの制御と回避、高加熱出力技術、トリチウム増殖と取り扱いなど、19の主要なシステム問題を含むいくつかの重要な課題がまだ解決されていない。^{[ 8 ]} さらに、CFETRの建設に必要な材料の特性はわかっているものの、これらの材料の多くはまだ製造されておらず、必要な材料の作成に関する研究がまだ進行中である。^{[ 4 ]}

さらに、CFETRの自給自足は最大の課題の1つです。重水素と三重水素はCFETRの燃料源ですが、重水素は自然界に豊富に存在するものの、商業的な三重水素源は希少です。^{[ 9 ]}重水炉、加速器、軽水炉 を使用して実験室条件下で三重水素を生成することはできますが、^{[ 9 ]} 現在国際的に生産されている三重水素の量は、核融合炉を稼働させるには不十分です。^{[ 9 ]}そのため、重要な課題は、三重水素のリサイクルと再生のための適切な燃料サイクル概念を作成することと、経済的かつ費用対効果の高い方法で三重水素を生成する新しい方法を考案することです。^{[ 9 ]}

これらの課題は多面的かつ複雑であり、学際的な協力と研究を必要とします。そのため、CFETRが提起する19の主要なシステム問題に対処するために、各問題を個別に解決するための個別のチームが編成されました。^{[ 8 ]}この取り組みは、中国の総合核融合技術研究施設（CRAFT）とその300人の科学者、エンジニア、研究者のチームが主導し、実用的で実現可能かつ費用対効果の高い解決策を提供することで、これらの重要な問題を解決しようとしています。^{[ 8 ]}

太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギー源が導入される以前は、核融合はクリーンで実質ゼロ炭素エネルギーの未来として宣伝されていました。^{[ 10 ]}しかし、再生可能エネルギーの導入、より広範な応用、および利用により、エネルギーの状況は劇的に変化しました。たとえば、再生可能エネルギーは2050年までに世界のエネルギーの74%を供給すると予測されています。^{[ 11 ]}さらに、再生可能エネルギーの価格が下落するにつれて、核融合発電の経済的実現可能性が、将来のエネルギー経済に関する議論の最前線に押し出されました。^{[ 10 ]}

現在、経済学者は核融合発電が再生可能エネルギーほど安価になる可能性は低いと示唆している。^{[ 10 ]}核融合発電所は、核分裂発電所と同様に、建設に必要な材料、機械、インフラのコストが莫大になる可能性があるため、初期費用と設備投資費用が高額になるだろう。さらに、これらの高度に専門化された発電所の運転と保守も高額になる可能性が高い。 ^{[ 10 ]} CFETRの運転および建設コストはよく知られていないが、EU DEMO核融合コンセプトでは、均等化発電原価（LCOE）が121ドル/MWhになると予測されている。 ^{[ 13 ]}

さらに、経済学者らは、核融合技術の価格が10億ドル上昇するごとに、核融合エネルギーのコストが1MWhあたり16.5ドル高くなると指摘している。^{[ 10 ]}この高いLCOEは、主に核融合発電所の建設にかかる高額な設備投資の結果である。^{[ 10 ]}

対照的に、再生可能エネルギーのLCOEは大幅に低いようです。たとえば、太陽光発電のLCOEは$40〜$46/MWh、陸上風力発電は$29〜$56/MWh、洋上風力発電は約$92/MWhと推定されています。^{[ 14 ]}このように、これらの費用対効果の高いオプションは、より経済的に実行可能なものと思われます。^{[ 10 ]}

しかし、これは核融合発電が経済的に完全に実現可能ではないことを示唆するものではありません。むしろ、核融合発電は再生可能エネルギーでは満たせないエネルギーギャップを補うものとなるでしょう。^{[ 10 ]}したがって、核融合発電は主要なエネルギー源となるのではなく、再生可能エネルギー源と連携して機能する可能性が高いです。^{[ 10 ]}それでも、再生可能エネルギーが容易に入手できない場合、核融合発電が主要なエネルギー源となり、特定の地理的エリア内の電力網のベースロードを供給する可能性があります。^{[ 10 ]}

2021年現在、国際社会では以下の2つの安全目標が提案されている。

• 放射線の危険から地域社会と環境を保護する^{[ 15 ]}

• 核融合炉の安全プロトコルが核分裂炉のものと同等に競争力があり包括的であることを保証する^{[ 15 ]}

これらの目標は許容リスクの原則に基づいて決定され、職業上の放射線被ばく、放射性物質の日常的な放出、事故対応と最小化、放射性廃棄物などのサブカテゴリーにさらに細分化することができます。^{[ 15 ]}

中国政府は原子力安全を非常に重視しているが、現在まで中国国内には包括的な核融合安全フレームワークは存在しない。^{[ 16 ]} 2019年現在、中国で採用されている安全プロトコルは核分裂炉技術に基づいており、中華人民共和国放射性汚染防止法（2003年）、原子力安全法（2017年）、研究炉安全運転規則（HAF202）に規定されている。^{[ 17 ]}これらは一般的な原子力安全上の考慮事項を概説する上で有益であるが、核融合炉に特化したものではない。さらに、核分裂炉とは異なり、CFETRには炉心 がない。したがって、これらの法律は核融合炉の設計とメカニズムに対応するために更新する必要がある。^{[ 16 ]}

さらに、トカマク型装置のプラズマ冷却機構により原子炉が冷却され、システムの擾乱時に反応が停止するため、核融合発電は核分裂発電よりも安全であると広く受け入れられているが、この理想と機構だけに頼るのは十分ではない。^{[ 17 ]}むしろ、システムの擾乱や故障時に放射性物質が放出される可能性を防ぐために、擾乱パラメータを適切に定義し特定する必要がある。^{[ 15 ]}したがって、適切な安全対策を慎重に検討する必要がある。さらに、トリチウムは限られた放射性同位体である。そのため、二重閉じ込めシステムの故障時に想定される偶発的な放出の場合、トリチウムの放射性は危険となる可能性がある。^{[ 16 ]}したがって、そのような状況下では、CFETR周辺地域は避難しなければならず、家族が元の家に戻れるようになるまでには32〜54年かかる可能性がある。^{[ 17 ]}しかし、CFETRの技術者は、現在の原子炉を避難不要の基準に従って設計している。^{[ 17 ]}そのため、技術者は、避難を必要とするような核融合炉の壊滅的な故障を防ぐ設計を作成する必要がある。^{[ 17 ]}

2020年11月現在、国際原子力機関（IAEA）は、さまざまな核融合炉設計のための核融合炉安全基準を作成するために、さまざまな国と協力し始めています。^{[ 18 ]}さらに、適切な線量規制や、核融合エネルギーからの放射性廃棄物をどのように管理し、適切に処分すべきかについても調査を開始しています。^{[ 18 ]}

固体容器壁における中性子放射線による損傷は、中性子エネルギーが高いため、核分裂炉よりも大きいと予想されます。^{[ 19 ]}さらに、この損傷は、容器内で生成される大量のヘリウムと水素と相まって、インフラストラクチャの疲労を引き起こし、それによって容器を損傷する可能性があり、容器を放射性金属に変え、放射性廃棄物にする可能性があります。^{[ 19 ]}また、科学者たちは、多くの非構造部品が非常に放射性になるだろうと提唱しています。^{[ 20 ]}

核融合炉の廃棄物1キログラムあたりの放射能は、核分裂炉に比べて大幅に低くなるだろう。^{[ 19 ]}重水素-三重水素核融合反応の性質上、放射性構造廃棄物および非構造廃棄物の量が多くなる可能性が高いが、^{[ 19 ]}この問題については、これらの廃棄材料が低レベル放射性廃棄物として認定されるように、低放射化構造合金を設計することで回避できる可能性がある。^{[ 20 ]}しかし、現在利用可能な技術では、より可能性の高い結果は、中レベル放射化構造合金の設計である。^{[ 20 ]}これにより、低レベルから中レベルの放射性廃棄物が生成されることになる。

このような廃棄物の放射能の半減期は12.3年であり、核分裂放射性廃棄物が約1000年間高い放射能を維持するのに対し、放射能は100年未満しか持続しない。^{[ 19 ]}さらに、CFETRのエンジニアは、トリチウム廃棄物管理システムを導入することで、中レベルから低レベルの放射性廃棄物の排出量を制限するつもりである。^{[ 21 ]}これにより、トリチウムを抽出して装置にリサイクルし、核融合炉で生成される廃棄物の放射能を低減するという二重の効果が得られる。^{[ 4 ]}