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Aug 03, 2023

2億ドルをかけた核融合実験の舞台裏

Come scienziati e ingegneri realizzano parti per esperimenti sulla fusione

ニュージャージー州のプリンストンプラズマ物理研究所で科学者とエンジニアが核融合実験用の部品を作る様子。

上級機械工のジョー・ダイアモンドは、真空容器内とセンタースタックに設置されるステンレス鋼の移行プレートの開発に取り組んでいます。 (エマ・リー/WHYY)

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機械工のジョー・ダイアモンドさんは、自動車、電車、原子力潜水艦の部品を作ってきたが、ステンレス鋼板は彼が作らなければならなかったものの中で最も難しいものの一つだと語った。

彼は 50 年以上機械部品を製造しており、現在はプリンストン プラズマ物理研究所で働いています。 この研究室では、科学者たちが半世紀以上にわたって地球上のエネルギー源として利用することを夢見てきた核融合の実験を行っています。 それは太陽の中心で起こっていることです。

このプロジェクトを指揮する物理学者の一人、ステファン・ゲルハルト氏は、難しさの一部は、これを地球上でテストするための装置を設計して構築することだと語った。

「地球上の誰も作れないものを設計するのはとても簡単だ」と彼は言う。 「したがって、物理学や設計工学に関するこれらの空想的なアイデアはすべて、有限のお金と時間で、実際の人間が、実際の工作機械を使って何ができるかによって制限されなければなりません。私のビジネスでは、その相互作用を評価することに常に緊張感があります。 . それがこの仕事の面白さでもあり、難しさでもあります。」

ジョー・ダイアモンドが作らなければならないステンレス鋼板は、長さ約 10 インチ、厚さ 0.5 インチで、台形の形をしています。 難しいのは、プレートが先細になっていて、全体にわたって同じ厚さではないことです。 ダイヤモンドは、ステンレス鋼の一部を切り出し、金属の一端から注意深く削り取る必要があるため、最終的に正しい角度に仕上がります。

この 2 億ドルをかけた核融合実験をイメージするには、金属でできた高さ 15 フィートのリンゴを思い浮かべてください。 機械のスイッチを入れると、リンゴの芯には非常に高温のガスが含まれており、その温度は太陽の中心の温度に匹敵し、摂氏1,000万度を超えます。 これにより、ガスはプラズマと呼ばれる、まったく異なる物質の状態に変わります。 太陽は重力を利用して超高温のプラズマを保持します。

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実験では、リンゴの芯はプラズマに面しており、平らなカーボンタイルで裏打ちされています。 これらのタイルは熱を吸収し、安全に屋外に持ち運ぶことができます。

しかし問題は、その平らなタイルがリンゴの芯の表面を完全に覆うような金属リンゴを研究室が作ることができないことだ。 この問題を解決するために、科学者たちは、リンゴの芯と外皮の間のどこかにステンレス鋼のプレートを配置し、0.01インチを超えてずらすことができないカーボンタイルの位置を揃えるよう設計しました。

なぜなら、カーボンタイルが正しく配置されていないと、熱くなりすぎてその一部がプラズマに落ち、実験が科学者が必要とするほど熱くならない可能性があるからです。

これらのステンレス鋼板をおそらく 10 枚重ねて作るのにほぼ 1 年かかり、科学者たちはいくつかの変更を加えたので、さらに時間がかかるでしょう。

何かを間違えると、重大な結果が生じる可能性があります。 2016 年に遡ると、この研究所は 4 年間のアップグレード プログラムを終えたばかりでしたが、超高温のプラズマを保持するために使用されていた磁石の 1 つが故障しました。 デバイスは数か月間シャットダウンされました。 当時の研究所長は8年間の勤務を終えて辞任した。 あるサイエンス記事は、これを研究室へのボディブローと呼んだ。

物理学者のステファン・ゲルハルト氏は、このような間違いが二度と起こらないように努め、すでに高い部品基準をさらに高めたと述べた。

例えば、研究室が企業にこれらの磁石をさらに製造するよう依頼したとき、研究室は隠れた欠陥をチェックするために磁石を切断してテストしたが、磁石の試作ではこれまでそうしたことはなかったと同氏は述べた。 同研究所はまた、磁石を製造している企業に対し、クリーンルームを確保し、製造中の磁石を汚染する可能性のある塵やその他の金属作業が行われていないことを確認するよう求めた。

「作業員全員がこれに触れている場合は、手の油が入らないように手袋を着用していることを確認する必要があります。誰もここに入ってきて鉛筆やペンで印を付けることがないようにしたいと考えています。」シャーピー。」

フランスの会社が磁石の一部を製造しました。 同社が研究所の仕様に確実に準拠していることを確認するため、プリンストン研究所は2020年に磁石の製造状況を観察するために従業員をフランスに派遣した。 新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックが始まったとき、研究所はそれらの人々を米国に戻すために急いだ

研究室ではまだ新しい部品を入手し、すべてが適合するかどうかを確認するために機械に組み込んでいます。

「これらは…複雑な組み立て品です。非常に大きなスイスの時計です。私たちは時々お互いにそう言い合いたくなります」とゲルハルト氏は語った。

そして、この精密に調整されたスイスの時計を調整する方法を知っている人々と、何百人もの機械工、エンジニア、科学者全員がこの 1 つの実験に取り組んでいる必要がありますが、この実験には機械的問題だけでなく、放射線、電気などの潜在的な危険も伴います。 たとえば、ゲルハルト氏によると、チームのプロジェクトマネージャーの1人はかつて原子力発電所を運営していたという。

「同時に動作しなければならないシステムがたくさんあります」とゲルハルト氏は言う。 「そして…構築されると、…運用に品質と安全性を導入し、科学ユーザーが存在し、科学を遂行したいと考えているときにこれらの複雑なシステムが毎日連携して動作することを確認することに多くの焦点が当てられます。」

現時点での目標は、数年以内にマシンを稼働できる状態にすることです。 科学者はそれを使って実験を行い、超高温プラズマを制御して操作する方法を見つけ出し、いつかそれを使って巨大な電力を生成することができます。 その間に、彼らはすべてのコンポーネントを一度に 1 枚ずつ設計、組み立て、微調整しています。

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