小型磁場プラズマ閉じ込め装置広島大学ヘリアック装置（HU-Heliac）。この装置で、フュージョンプラズマ閉じ込め装置の工学的研究、フュージョンプラントの基礎過程の研究を行っている。
◆着想のきっかけは何ですか
太陽で生み出される莫大なエネルギーは、水素を燃料にしたフュージョン反応により生み出されています。フュージョン反応を元にした発電方法をフュージョン発電と呼びます。フュージョン発電が実現できれば、人類は海水を燃料としたクリーンかつ無尽蔵のエネルギーを手にすることが出来ます。
地上でフュージョン反応を起こすためには、水素同位体をプラズマと呼ばれる超高温（1億度！）のガス状態にし、容器の中に一定時間閉じ込める必要があります。問題は、「どうやって1億度の超高温のプラズマを容器内に閉じ込めるか？」です。我々の研究室では、磁場を使ってプラズマを閉じ込める磁場閉じ込めフュージョン方法を研究しています。フュージョン反応を使って発電する装置をフュージョンプラントと呼びます。このフュージョンプラントは、磁場を作る電磁石、フュージョンプラズマを閉じ込める容器、真空排気システム、熱交換器、燃料供給システムなどからなる巨大で複雑なシステムです。我々の研究室では、システムをどう設計・製作し、なおかつプラントを正しく運転できるよう制御するか、工学的見地から研究を行っています。
ところで、プラズマはフュージョン発電だけでなく、様々なエネルギー源の改良に応用することが出来ます。プラズマを宇宙船線の推進システムに応用することや、二酸化炭素を分解する方法、炭化水素から水素を作る方法、炭素を使わずに鉄鉱石を製錬する方法など、プラズマを活用したフュージョン発電からのスピンオフも研究しています。
◆具体的に何が解決されましたか
フュージョン発電の経済性を表す指標として、「フュージョン反応で得られる正味のエネルギー」を「フュージョン反応を起こすのに必要な正味のエネルギー」で割った工学エネルギー利得という値が使われます。この工学エネルギー利得が大きいほど、小さい入力エネルギーでより多くの電力が得られることになります。計算機援用工学（CAE：Computer-Aided Engineering）によるフュージョンプラントの物理設計と工学設計を行い、高い工学エネルギー利得を実現できるフュージョンプラントの提案を行いました。
◆その研究が進むと何が良いのでしょうか
フュージョンプラントは非常に巨大な施設となり、フュージョンプラズマを閉じ込める磁場は巨大な電磁石によって作られます。工学設計で大事なことは、プラントを構成する一つ一つの部品は自重を持つということです。部品が大きければ、部品の数が多ければ、その分フュージョンプラント全体が重くなり、やがて自身の重さを支えきれなくなってしまいます。我々の研究室では、より建設費が安価で高性能、経済的なフュージョンプラント実現への道筋を立てました。
核融合発電は、二酸化炭素を排出せず、無尽蔵な海水を燃料とする究極のエネルギー源です。2050年カーボンニュートラルの実現に向けて、研究を進めています。
しかし、実用化まではまだまだ研究が必要です。そこで、核融合研究から生まれたスピンオフを活用して、発電所のタービンや自動車のエンジンを高効率化し、二酸化炭素の排出量を低減させるための新技術を開発しています。
もともとは、宇宙工学志望でした。惑星や深宇宙探査をするためのエンジン開発に興味があり、核融合もそこで知りました。大学１年生の研究室訪問で、核融合発電の研究を知る機会があり、研究内容の壮大さとプラズマの不思議に魅了され、核融合発電を勉強することにしました。
大学時代は、勉学よりも部活動（弓道部）に励む学生でした…。大学４年間は部活に打ち込んで、その後？勉学に取り組みました。大学では、勉学以外にも打ち込めることを見つける事をお勧めします。うまくいくことも、うまくいかないことも両方あるでしょう。ですが、その経験は一生の財産となるでしょう。
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「2.エネルギー・資源」の「5.新エネルギー技術(燃料電池、ワイヤレス電力伝送等)」
我々の研究室では、
（1）小型プラズマ閉じ込め実験装置を用いたフュージョンプラント設計・製作
（2）フュージョンプラント制御のためのアルゴリズム開発
（3）フュージョンプラズマの性質を理解するための実験・シミュレーション
の3本柱で研究を行っています。また、フュージョンプラズマ研究から生まれる様々なスピンオフにも取り組んでおり、フュージョンプラズマ研究の手法を医療分野や環境分野に応用する取り組みも始めています。学生の研究の特徴として、実際に手を動かすことです。実験でもシミュレーションでも、研究に必要なツールは自分たちで製作します。
◆主な業種
・メーカー、シンクタンク、電力会社
◆主な職種
・技術職、システムエンジニア、コンサルタント
◆学んだことはどう生きる？
フュージョン研究で大事なことは、工学と理学の両方を理解していることです。最終的に工学としてフュージョンプラントを実現したいのですが、工学設計の背後には必ず物理現象や化学現象が存在します。工学を重視するあまり物理や化学を無視した非現実的なプラントを設計してはなりませんし、その逆もまた好ましくありません。我々の研究室の卒業生は、素過程としての物理や化学の勉強をおろそかにせず、それら踏まえフュージョンプラントをどう実現するのか考えることを重視しています。
「地上の太陽」と呼ばれるフュージョン発電は、2030年代の早期実現を目指しています。その意味で、直ぐに成果を得なければならない一方、実現にはまだまだハードルは高く、息の長い研究課題と言えるでしょう。早期実現を目指さなければならないにもかかわらず、直ぐに成果が見えない研究は大変と思うかもしれません。しかし、その直ぐ目に見えない成果が、やがて花開き、実用化につながります。自分はその一端を担うという気概を持って、大学で学んでください。
フュージョン研究と共に生み出されるスピンオフは、早期にカーボンニュートラルを目指す我々にとって有用なものがたくさんあります。我々の研究室では、フュージョン研究と共に、2030年エネルギーミックス、2050年カーボンニュートラルの実現に向けて研究を進めていきます。フュージョン、あるいはプラズマに興味を持った方はぜひ！
【テーマ１：振り子の等時性に関する実験】
よく知られているように、振り子の周期は腕の長さと重力加速度で決まります。しかし、これは振り子の振れる角度が小さい時の近似です。5円玉を何枚かと糸を使って単振り子を作り、周期をストップウォッチで計ってみます。
腕の長さに対する周期をグラフに書くと、振り子の腕の長さや5円玉の枚数を変えても、振れ幅が小さいときは等時性が正しく成り立っていることが分かります。しかし、振れ幅を大きくすると、sin(theta)=thetaの近似が成り立たなくなり、等時性の破れがあらわになります。
この実験のポイントは、ガリレオの実験に習って実験観測から物理法則を導く過程を、正しくなぞれる事です。また、ストップウォッチで周期を計測する場合、どうしても計測誤差が入ります。同じ実験を複数回行うことで、信頼性を検討できることです。
【テーマ２：電気抵抗と温度の関係】
電気抵抗は、温度に依存します。セラミック抵抗などには抵抗値が記載されていますが、その値は基準となる温度で計測された値です。抵抗を熱電対で温めることで、抵抗値を変え、異なる条件では値が異なり、計測誤差として考慮しなければならないことを学びます。
テーマ１の周期の計測でも同じですが、計測を考える上では有効数字の考え方が重要になります。小数点何桁で打ち切るかによって、平均した値が大きく異なります。実際に実験する場合は、数値の取り扱いに注意しなければならないことを学びます。
【テーマ３：Pythonを使った数値シミュレーション】
数値シミュレーションは、現在なくてはならない基盤です。Pythonを使って簡単な非線形シミュレーション（ローレンツアトラクタやロジスティック曲線）を行い、正解は非線形であり、いかに未来の予測が困難であるかを理解します。
新・核融合への挑戦 いよいよ核融合実験炉へ
吉川庄一、狐崎晶雄(ブルーバックス)
核融合は、人類のエネルギー問題を解決するのではと期待されている。しかし、実際に核融合を実現するためには、気体分子から電子が飛び出し動き回る状態である「プラズマ」を発生させる必要があり、5億2000万度という想像を超える高温状態を作り上げなければならない。この超高温プラズマや、核融合炉の仕組みを解説した古典的名著が、本書である。核融合に興味を抱いたら、最初に開いて欲しい本。
SUPERサイエンス 人類の未来を変える核融合エネルギー
松岡啓介、岡野邦彦、小川雄一、岸本泰明、松田慎三郎、秋場真人(シーアンドアール研究所)
世界のエネルギー問題を一挙に解決する次世代エネルギーとして脚光を浴びている、核融合エネルギー。本書では核融合発電の原理から、開発の歴史、プラズマの制御法や実用化についてなど、核融合エネルギーについて一通りの知識を得ることができる。読み通すには物理・化学について高校レベル以上の知識が必要だが、図による解説も多いので挑戦してみて欲しい。
太陽を創った少年 僕はガレージの物理学者
トム・クラインズ(早川書房)
米国アーカンソー州生まれの天才中学生、テイラー・ウィルソンくんは、14歳にして自宅ガレージで核融合炉を作り上げる。ごく幼い頃から宇宙に興味を抱き、庭で自作のロケットを爆発させる(！)テイラーと、そんな彼をサポートしてきた両親や専門家たちの姿とともに、彼の核融合実験の過程をつづったのが本書。
文中では、テイラーの失敗例と成功例が忠実に紹介されている。研究とはうまくいかないことの方が多く、なぜうまくいかないのかを解明することこそが重要だと分かる。科学者を志す高校生を励ましてくれる一冊。
ロウソクの科学
マイケル・ファラデー（光文社古典新訳文庫）
ファラデーの法則で知られる著者が、少年少女の科学教育のためクリスマス講義を行った際の講演録。ロウソクの燃焼にどれほどの素過程が含まれているかを簡便に説明し、科学の奥深さを教えてくれる。ファラデーは高等教育を受けた研究者ではなく元製本工で、独学で勉強を重ねてロンドンの王立研究所の実験助手となった。科学に必要なことは、世の中にある「ふしぎ」をとことん突き詰める事で、学歴など何の意味もなさないことが理解できる。科学者を志す高校生を励ましてくれる一冊。
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Q1.18歳に戻って大学に入るなら何を学ぶ？ 歴史。きちんと文系科目を学んでみたいですね。 |
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Q2.大学時代の部活・サークルは？ 弓道部。主将も務めました。 |
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Q3.研究以外で楽しいことは？ 登山・ハイキング。自然の中にいると、頭を空っぽにできます。 |
