Zap Energy: How It Works

Zピンチの誕生

1905年、オーストラリアの科学者2名が奇妙な現象に直面しました。灯油精製所の避雷針が、ものすごい力で握りつぶされたかのように変形していたのです。その原因は落雷でした。雷が放出する電流によって非常に強力な磁場が発生し、中空構造の金属棒をまるで段ボールのように押しつぶしたのです。これは「ピンチ効果」あるいは「Zピンチ」と呼ばれる電磁気現象を如実に表した例で、この現象のおかげで初期の核融合実験が可能になり、実用化可能な核融合発電機の開発において最も有望な方法と見なされています

電流によって磁場が発生
Zピンチ効果とは、電流が生み出す非常に強力な磁場によって物質が圧縮される電磁現象
一定以上の強力な電流をプラズマに流すとZピンチ現象が発生し、核融合反応に必要な高温・高密度環境が生まれる

物理学の学生なら誰もが知っているとおり、電流が流れると磁場が発生します。右手の親指を電流の向きに合わせ、人差し指以下4本を内側に曲げると、その4本の指先の向きが磁場の向きを表します。これが「フレミングの右手の法則」です。ピンチ現象は、帯電した素粒子がこの磁場の中を移動することによって発生します。電線の束に電流を流すところを想像してみてください。電流の周りを取り巻くように磁場が発生し、磁場によって電線の束がピンチ（収縮）し、雷に打たれた避雷針のように押しつぶされるのです。

同様のことは、帯電粒子が満ちた物質状態、つまりプラズマに電流を流した場合にも起こります。この特別なピンチ状態がZピンチと呼ばれる現象で、電流が強ければ強いほどピンチも強力になります。ピンチが一定の強さを超えるとプラズマが超高温・高密度になり、プラズマ内の要素が核融合反応を起こして新たな要素が生まれます。このZピンチこそが、Zap Energyの画期的な核融合アプローチを支えるコア技術です。

Zap Energyの核融合技術では、プラズマに高圧電流を流すことで生じる磁場を利用して
プラズマを閉じ込めるため、外付けの超伝導マグネットが不要

Zピンチを利用した核融合の仕組み

核融合エネルギーの可能性を引き出す鍵は、原子の中心で原子核同士が反発し合う力に対抗することです。極めて高温・高圧の環境下では、原子核同士が互いに近づき結合（核融合）することから、この名前がつけられています。

核融合は原子核を分裂させる核分裂とは真逆の反応で、長期にわたって放射性廃棄物を残すこともありません。太陽などの超巨大な高温プラズマの塊である恒星では、その巨大な重力が高温・高圧環境を生み出し、核融合反応が起こり、強力なエネルギーを宇宙に放射し続けていますが、核融合技術はこれと同じ仕組みです。Zap Energyは、私たちが住むこの地球で、Zピンチを利用することで核融合が起こる条件を実現しようとしています。

核融合エネルギーは、原子の中心で原子核同士が反発し合う力を打ち破り、2種類の軽い原子核が融合して1つの重い原子核になる時に発生
Zap Energyの技術では、重水素とトリチウムを数千万度まで加熱することで高いエネルギーを持つヘリウムと中性子を生成。これらを取り出し、熱や電気の生成に使用する
質量あたりのエネルギー量は石炭の約1,000万倍に相当

ほとんどの核融合技術は、重水素とトリチウム（中性子を余分に含む原子）という水素の同位体を使用します。これらに高い圧力をかけ、華氏数千万度という高温状態に達すると、原子核同士が融合し膨大なエネルギーを運ぶヘリウムと中性子が生成されるので、それらを取り出して発電に使用します。

核融合は、比較的少ない燃料から莫大な電力を生み出せる可能性を秘めています。重水素とトリチウムを使った核融合では、質量あたり石炭の約1,000万倍とも言われるエネルギーを生み出すことができます。つまり、アメリカが1年間に燃やす量の石炭を、たった数個の輸送コンテナに収まる程度の核融合燃料で置き換えられる可能性があるのです。

装置の開発・検証のために、安全で豊富に存在する燃料、重水素を使ってプラズマと
呼ばれる高温のイオン化ガスを生成

Zap Energyの革新技術「せん断流安定化」

Zピンチを利用した核融合には、従来の核融合アプローチに不可欠とされていた高額かつ煩雑な磁場装置を使わずに、クリーンで長時間持続するエネルギーを実現できる可能性があります。しかし、超高温のプラズマ内部では強い反発力が働くため一瞬の間しか閉じ込めることができず、意味のある量の核融合エネルギーを生み出すのに十分な期間、プラズマを維持できるかどうかが課題となっていました。

Zピンチを利用した核融合の研究自体は1950年代から行われていたものの、研究者たちは長い間、プラズマが一瞬で消滅してしまうことに頭を悩ませていました。Zap Energyは、「せん断流安定化」と呼ばれるプラズマ物理学における画期的な技術でこの問題を解決します。これにより、理論上はZピンチ状態のプラズマの寿命をほぼ無限に延ばすことができる可能性があります。

プラズマは一瞬で消滅してしまうため、継続的に核融合反応を起こすことは難しい
Zap Energyは、プラズマを川の流れのような「動的な流れ」として捉えることで画期的な進展を遂げる
Zap Energyの共同創設者、ウリ・シュムラックが先駆けとなったプラズマ物理学の革新技術「せん断流安定化」により、理論上はZピンチ状態のプラズマの寿命をほぼ無限に延ばすことが可能に

ゼリーの束を輪ゴムでまとめるところを想像してみてください。プラズマを安定させようとする作業はまさにこの状態に似ており、強い力で押さえつけるほどに崩れて横からはみ出してしまいます。この不安定性こそ、初期のZピンチ設計では核融合を起こすのに必要な時間プラズマを維持できなかった理由です。

Zap Energyの重要な技術革新は、プラズマを川の流れのようなものとしてとらえたところから始まりました。1990年代、この理論的なブレークスルーにより、Zap Energyの最高科学責任者ウリ・シュムラックとローレンス・リバモア国立研究所の共同研究者であるチャールズ・ハートマンが、せん断流安定化を用いた核融合プラットフォームを概念化しました。核融合炉内部では、プラズマ流が層状にスライスされ、それぞれ異なる速度で移動します。例えば、他の層よりスピードの速い外側の層が不安定性を軽減し、よりスピードの遅い内側の層が安定した状態を維持できるようにします。その結果、核融合反応を維持できる安定したプラズマが得られるのです。

せん断流安定化Zピンチ理論を確立したウリ・シュムラック（左）。Zap Energy代表取締役のベンジ・コンウェイ（中央）は、シュムラックとブライアン・A・ネルソン（右）
とともにZap Energyを共同創設

Zapの核融合炉の仕組み

Zapの装置は加速器と反応路を組み合わせたような設計で、Zap Energyの発電プラントの中核として機能するよう科学的に設計されています。ワシントン大学（UW）のシュムラック研究室で20年以上にわたって行われた小規模装置を用いた研究により、せん断流安定化Zピンチ核融合が機能することが実証されています。

Zap Energyは、せん断流安定化Zピンチ核融合を検証するための一連の装置を開発
Zピンチ内の電流が高いほどプラズマが高温・高密度になる
Zap Energyの最新の核融合炉であるFuZE-Q装置は、Q=1（科学的エネルギー損益分岐点）の達成を目指して設計

ワシントン大学からスピンオフして以来、Zap Energyは開発のペースを加速し、より多くの電流を装置に射入しながら、Q=1という壮大な目標に向かって日々歩みを進めています。科学的エネルギーの損益分岐点とも言われるQ=1は、核融合を起こすためにプラズマに投入されるエネルギー量と、その結果として生み出される核融合エネルギーの量が等しくなる状態を指します。Zap Energyの研究開発チームは、強力な投資、現存するほとんどの核融合アプローチよりも小型かつ迅速な反復検証により、Q=1の達成、そしてさらにはその先の目標である「核融合を送電網に乗せる」ために必要な条件の達成に向けて、躍進しています。

稼働中の装置内部では、コンデンサバンクから強力な電気パルスを放出することでZピンチの過程が始まります。このパルスが重水素ガスの雲を揺さぶり、平らなリング状の高温プラズマに変えます。ディスクのような形状になったプラズマが、装置の内側の陰極（マイナスに帯電した端）を高速で降下していき、陰極のノーズコーンを過ぎると、異なる層が異なる速度で移動する細長いプラズマ柱（せん断流）へと変形します。この時点で、プラズマ柱の長さは約50cm、直径はわずか1mm程度で、華氏1千万度を遥かに超える高温に達します。

プラズマに流れる電流が大きいほどプラズマを締め付ける磁場も大きくなり、プラズマはさらに高温・高密度化していきます。シミュレーションでは、モデル条件下において、Q>1に達するのに安定したZピンチを通過する必要のある電流は1メガアンペア未満であることが示されています。Zap Energyは、FuZEと呼ばれるシステムでパワーバンクの限界である500kAに達した後、4世代目となる装置 FuZE-Qを製造しました。どちらの装置も現在、核融合プラズマの生成とせん断流安定化Zピンチの物理特性の急速な発展に貢献しています。

FuZE-Qは、最大1メガアンペアの電流での運用を想定して製造された装置です。FuZE-QでQ=1を達成するということは、核融合技術にとって大きなマイルストーンとなるだけでなく、非常に強力な概念実証にもなります。商用化可能な核融合プラントを作るために、Zapのエンジニアたちは、1〜2メガアンペアの電流で繰り返し確実に作動するシステムを開発しています。

写真のFuZEはZap Energyの研究開発用Zピンチ核融合炉の第3世代。周囲にある装置と計測器で科学的試験の結果を測定する

核融合プラントの開発

商用の核融合プラントの建設に関して、Zap Energyの基礎技術には大きな利点があります。まず、他の方式に見られるような巨大な設備や超伝導マグネット、高出力レーザーが必要ありません。これは、Zap Energyのプラントは従来型のものよりコンパクトで高効率に稼働できる可能性を意味します。コンパクトで高効率という特性は、エネルギーを安価に供給し、他のエネルギー源とも十分競争可能とするために必要な、費用対効果が高く柔軟に拡張可能なシステムの実現に向けて最重要とされている特性です。

可能な限り早く核融合を送電網に乗せるため、Zap Energyのエンジニアたちはすでに、Zピンチ核融合を一般社会で使用可能なエネルギーに変える補助システムの開発・検証を進めています。

Zピンチ核融合プラントは、巨大施設や超伝導マグネット、高出力レーザーが不要となるなど、従来の核融合アプローチと比べて多くの利点がある
Zap Energyのエンジニアは現在、高度な電力供給装置や液体金属壁など、プラントの主要な補助システムを開発・検証中
小型で排出物質を発生させず、需要に合わせたオンデマンド稼働が可能なZピンチ核融合プラントは、ほぼすべての場所に設置可能

Zapのシステムは1秒間に10回のプラズマパルスを発生させ、流動する液体金属壁で極限条件に耐えながら、核融合反応で生成されるエネルギーを回収する設計です。さらに、壁内部のリチウムと鉛の合金によって生成されるトリチウムを循環させ、燃料としてプラントに供給することも計画しています。核融合炉1基の幅はわずか10フィート（約3メートル）ほどで、約50メガワットの電力を供給できる見通しです。これは、小規模な都市の電力需要を満たせる出力量に相当します。また、Zap Energyの核融合プラントでは、ひとつのプラントに複数の核融合炉を設置することで効率を高め、総合的に電気料金を下げられる可能性があります。

さらに、小型で排出物質を発生させず、需要に応じたオンデマンド稼働が可能なZピンチ核融合プラントは、人口の密集した大都市から人里離れた地域、さらには石炭火力発電所の跡地など、ほとんどどこにでも設置できる想定です。Zピンチ核融合は、人類が必要な最後のエネルギー源となるかもしれません。私たちのこれまでのライフスタイルは維持しながらも、人類が地球に及ぼしている様々な影響を削減し、地球全体に電力を供給できる可能性を秘めているのです。