核融合炉を建設するためのエネルギーと素材について書きます。
このページを公開しようと考えたのは、マイクロソフトは、Helion Energyが開発中の核融合発電所から、約4万世帯に電力を供給するのに十分な50メガワットの電力を購入することに同意。新興企業の工場は 2028 年までに稼働する予定というニュースを知ったからである。Helionは、磁場で高温のプラズマを閉じ込め、その中で核融合反応を起こしてエネルギーを発生させる核融合炉を用いた、ゼロカーボン（二酸化炭素排出ゼロ）発電を目標とする企業であるが、ここで疑問がわいた。
その疑問というのは、核融合炉を建設するためには、どのようなエネルギーが必要なのかということである。調べてみると、核融合炉を建設するためには、電気、ディーゼル発電機、天然ガスなど、さまざまなエネルギーが使用される可能性がある。しかし、建設に必要なエネルギーは、核融合炉が完全に稼働した場合のエネルギー量に比べれば、比較的小さなものだという。なので、核融合炉の建設に必要なエネルギーは1回限りのコストであるのに対し、核融合炉が生涯にわたって生み出すエネルギーは、建設時に使用したエネルギーを相殺し、エネルギー収支をプラスにする可能性があるというのも気になる点である。
あと、核融合炉の建設に必要な材料について疑問がわいたので、これについても調べてみる。核融合炉の具体的な設計や規模によって異なる場合がある。しかし、核融合炉の建設に使用される一般的な材料には、以下のようなものがある。
超電導磁石
超電導磁石：核融合炉では、プラズマを閉じ込め、炉の壁に接触しないようにするため、非常に強力な磁場が必要。この磁場を発生させるために、ニオブ錫やニオブチタンなどの超電導磁石が使われる。参考：核融合炉用超伝導コイルの開発（http://www.aec.go.jp/jicst/NC/senmon/kakuyugo2/siryo/kaihatsu19/siryo12.pdf）
プラズマを発生させる部品
核融合炉の内部で発生するプラズマは数百万℃にも達するため、炉の壁に大きなダメージを与える可能性がある。そのため、タングステン、炭素繊維複合材料、ベリリウムなどの特殊な材料を用いて、原子炉のプラズマに面した部品を作っています。参考：核融合炉におけるタングステンの使用（https://iopscience.iop.org/article/10.1238/Physica.Topical.094a00009/meta#:~:text=In%20the%20past%20the%20role%20of%20tungsten%20as,a%20high%20melting%20point%20and%20high%20thermal%20conductivity.）
トリチウム増殖材
核融合反応に使われる水素同位体の一つであるトリチウムは、地球上には存在しないため、原子炉内で生成する必要がある。核反応を起こしてトリチウムを生成できるリチウムなどの材料を使用するのが一般的です。参考：Chemical thermodynamics of fusion reactor breeding materials and their interaction with tritium（https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0022311585903320#:~:text=Liquid%20lithium%2C%20lithium%20alloys%20%28solid%20and%20liquid%29%20and,their%20interaction%20with%20tritium%20are%20of%20particular%20interest.）
参考：Selecting the right structural materials for fusion reactors（https://phys.org/news/2022-03-materials-fusion-reactors.html）
構造材料
磁石などの重量を支えるとともに、核融合反応で発生する高温や放射線に耐えられる強度が必要である。ステンレス鋼、タングステン、炭素繊維複合材料などが使われることが多い。
冷却装置
原子炉内は高温になるため、オーバーヒートを防ぎ、機器の健全性を保つために高度な冷却システムが必要である。冷却水、ヘリウムガス、液体窒素などが使用されます。
また、核融合炉の運転を制御・監視するために、これらの材料に加え、さまざまな電子機器や計装システムも必要である。核融合エネルギーシステムの実用化には、これらの材料の効率と信頼性を向上させることが重要であるため、先端材料と技術の開発は核融合エネルギー研究の重要な焦点となっているようだ。
■その他の参考
・Fusion Reactor Material（https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/fusion-reactor-material）
・How Nuclear Fusion Reactors Work（https://science.howstuffworks.com/fusion-reactor.htm）
・Fusion power may run out of fuel before it even gets started（https://www.science.org/content/article/fusion-power-may-run-fuel-even-gets-started）