私が Helion Energy (ヘリオン・エナジー) という企業を知ったきっかけは、2021年11月に公開された、トーマス・L・フリードマンが投稿したオピニオン記事『地球を救いたい？もっとたくさんのイーロン・マスクが必要です』(New York Times) です。
NYTimes のオピニオン記事「地球を救いたい？もっとたくさんのイーロン・マスクが必要です」で紹介された注目の企業$DMYQ ( $PL ) Planet と Helion Energyhttps://t.co/8LbHx2CJF1
— 鳥丸 (@libersrocks) November 20, 2021
この記事では地球を救う革新的な企業として、観測衛星データの Planet (プラネット) と、世界初の核融合発電所の開発に取り組んでいる Helion Energy を取り上げています。
早耳な投資家の間でもエネルギー分野のスタートアップ企業として注目を集める Helion Energy ですが、何故そこまで注目され期待されているか？というと、彼らが研究する「核融合発電」という技術が期待されているからです。こちらのページでは、Helion Energy という企業について詳しくご紹介します。
Helion Energy (ヘリオン・エナジー) とは？
Helion Energy (ヘリオン・エナジー) は、ワシントン州エバレットに所在するアメリカの核融合研究企業です。同社は、磁気慣性核融合技術を開発し、ヘリウム-3と核融合電力をアニュートロニクス核融合によって生産しています。
エネルギーの未来
核融合は、水に含まれる重水素と、重水素原子が融合してできるヘリウム3から、クリーンで信頼性の高い、豊富なエネルギーを生み出します。地球の海には、数十億年分のゼロカーボン核融合エネルギーを生み出すのに十分な量の重水素が存在しています。
達成した成果
– 核融合に適した9+ keVイオンのプラズマ条件に到達（100 M°C）
– 95%の効率で磁気エネルギーを回収することを実証
– 10テスラ以上の圧縮磁場を実現
– 1ms以上の寿命を持つプラズマの維持
– 完全な自給式ヘリウム3燃料サイクルの開発
テクノロジー
ヘリオンの力。科学者たちは、何十年にもわたって核融合発電の利用に取り組んできました。民間企業として初めて100M℃のプラズマ温度を達成した Helion Energy は、核融合による電力供給を実現しています。Helion Energy は、核融合による電力供給を現実のものとしています。
2005年から2012年にかけて行われた IPA （Inductive Plasmoid Accelerator） 実験に基づいて開発された「核融合エンジン」技術。IPA実験では、速度300km/s、重水素中性子生成、重水素イオン温度2keVを達成しました。
核融合エネルギー
星の力を利用する。核融合は、2つの原子が結合して1つの原子になり、エネルギーを放出します。私たちの太陽や他の星がエネルギーを作るときに使っているプロセスです。
安価でクリーンで豊富なエネルギー源であるため、人類の歴史に変曲点をもたらし、エネルギーの特異点となり、どの産業にも影響を与えなくなるでしょう。核融合は化石燃料の終焉を意味する。それは、人類が合理的に求めることのできる、気候変動に対する最大の解毒剤となるだろう。
– Lev Grossman（『タイム』誌リード・テクノロジー・ライター
ヘリオンの核融合は、水に含まれる水素の一種である重水素から始まります。D₂Oのグラス1杯分。
– 9百万kWhの安全でクリーンな電力を生成
– 1つの家庭で865年分の電力を供給可能
– 電気自動車1台で3,500万マイル分の走行が可能
– 1,000万ポンドの石炭を代替
– 100万ガロンの石油に相当
ヘリオンの核融合への取り組み・仕組み
ヘリオンの核融合発電のパルス非着火方式について説明します。ファラデーの法則を利用し、蒸気タービンを使わずに核融合プラズマから直接電気を回収する。6番目の核融合装置「トレンタ」では、2つのFRC (Field Reversed Configuration) プラズマを形成・加速・合流させ、9keV (1億400万℃) を超えるプラズマ温度に到達させることに成功しました。現在、Helionは7番目の核融合装置である「Polaris」に注力しており、この装置は核融合による純電力の実証を行う最初の核融合装置となる予定である。
ヘリオンのパルス核融合装置は、核融合から炭素ゼロの電力を生成するために使用されるエネルギーを直接回収する装置で、ヘリオンの核融合燃料である重水素とヘリウム3がガスとしてヘリオンの形成室では、プラズマと呼ばれる電離ガスに過熱されます。機械のコンデンサーが充電され、ヘリオンの装置を取り囲む磁石に電気が送られます。
磁石がプラズマの磁場を反転させ、トロイダル型またはドーナツ型のプラズマを閉じ込めることを磁場反転型という。装置の中心では、磁場が急速に増大し、ローレンツ力によって10テスラ以上の強い力でプラズマを圧縮する。この磁場の増大はプラズマをどんどん小さくし、密度と圧力を高め、プラズマは9キロ電子ボルト（摂氏1億度）を超える温度に達する。
プラズマの磁場が強くなると、機械の磁場が押し戻され、磁場が変化します。この磁束の変化は、ファラデーの法則に従って、機械のコイルに電流を誘導し、それが直接このプロセスはミリ秒単位で発生し、パルス状に繰り返されます。ヘリオンの核融合電気は、各パルスの後に繰り返し周波数を変えることで、グリッドに送られ、家庭や電気自動車、コミュニティの電力として、効率よく安価に、二酸化炭素排出量ゼロで利用されます。
より良い未来のために
核融合は、クリーンで信頼性が高く、豊富なエネルギー源を提供します。化石燃料はもういらない。気候変動もありません。
・クリーン
核融合は、二酸化炭素を排出せず、長期的な廃棄物も発生しません。地球が必要とするクリーンなエネルギー源なのです。
・信頼性
核融合プロセスは、昼夜を問わずエネルギーを生産することができます。天候に左右されず、メルトダウンの心配もありません。
・豊富なエネルギー
核融合は、水に含まれる重水素から、クリーンで信頼性が高く、豊富なエネルギーを生み出します。地球の海には、数十億年分のゼロカーボンエネルギーを生み出すのに十分な重水素が含まれています。
ヘリウム3の核融合
ヘリオンは、重水素を核融合発電の理想的な燃料であるヘリウム3に変換します。ヘリオンは、ヘリウム3を産業プロセスで生産した最初の企業です。
2015年の時点で、ヘリオンは重水素とヘリウム3の組み合わせを燃料として製造・使用することを意図していた。この混合物は、ほとんどが非中性子性の核融合を可能にし、高速中性子の形でエネルギーのわずか5%を放出する。ヘリウム3はD-D副反応によって生成され、回収して再利用するため、供給の心配はありません。ヘリオン社はこのプロセスに関する特許を取得している。
IPAの実験では重水素-重水素の核融合が使われ、半分の反応で2.45MeVの中性子が生成された。Helion と MSNW は、最も簡単に実現できるが、14MeVの中性子を発生する重水素-トリチウムの実装について記述した記事を発表した。燃料は重水素-重水素で、ヘリウム3を生成し、核融合炉や医療用画像診断に使用できる可能性があります。
閉じ込め
プラズマのエネルギー損失を防ぐために、磁場反転配置（FRC）のプラズモイド（風力発電機の電力スイッチングエレクトロニクスに由来する固体エレクトロニクスで動作）の磁場を利用する核融合手法。FRCは磁化されたプラズマ構成で、磁力線が閉じていること、ベータ値が高いこと、内部に貫通部がないことなどが特徴である。
圧縮
ターゲットプラズモを核融合圧縮室に注入するために、2つのFRCプラズモがパルス磁場で高速に加速され、高圧で単一のターゲットプラズモに合体する。
エネルギー生成
エネルギーは、プラズマの膨張を利用して磁気圧縮コイルと加速コイルに電流を誘導し、高エネルギーのアルファ粒子を直接電圧に変換する直接エネルギー変換によって得られる。これにより、蒸気タービンや冷却塔などのエネルギー損失が不要となります。
Helion Energy の歴史
Helion チームは2011年にD-D中性子生成を実証する査読付き研究を発表しました。Helion Energy は2013年に David Kirtley、John Slough、Chris Pihl、George Votroubek によって設立されました。彼らは2018年10月、米国エネルギー省の ARPA-E の年次 ALPHA プログラム会議での報告で、中性子を生成するD-D融合実験を詳述しました。その年の実験では、数keVの温度を持つプラズマと、6.4-1018keV・s/m3の三重積を達成しました。
経営陣は、2013年の National Cleantech Open Energy Generation コンペティションで優勝、2014年のARPA-E Future Energy Startup コンペティションで賞を獲得し、2014年の Y Combinator プログラムのメンバーであり、2015年のARPA-E ALPHA 契約「Staged Magnetic Compression of FRC Targets to Fusion Conditions」を獲得しました。
2021年には、6番目の試作機である「Trenta」が、1万パルス以上の16カ月間のテストサイクルを経て、1億度Cに到達したことを発表した。磁気圧縮磁場は10Tを超え、イオン温度は8keVを超え、電子温度は1keVを超えました。
ヘリオンの第7世代試作機「プロジェクト・ポラリス」は、2023年の完成を目指して開発が進められています。この装置では、10分に1回のパルスレートを短時間で1秒に1回にすることが期待されている。
第8のイテレーションである「アンタレス」は、設計段階にあります。
資金調達について
Helion Energy は、NASA、米国エネルギー省、国防総省から700万ドルの資金提供を受け、続いて2014年8月にシードアクセラレーターの Y Combinator と Mithril Capital Management を通じて、民間企業から150万ドルの資金提供を受けました。投資家には、Y Combinator、Mithril Capital Management、Capricorn Investment Group などが含まれています。2021年後半の時点で、投資総額は7780万ドルに達しています。2021年11月、Helion はシリーズEで5億ドルの資金を獲得し、さらに特定のマイルストーンに関連して17億ドルのコミットメントを行っています。
収益モデル
Helion Energy の戦略は、40～60ドル/MWhr（4～6セント/kwh）の電力価格を予測し、生産された電力のロイヤリティモデルに基づいて収益を上げることである。新電力市場への参入は、市場成長率（2.5%）の20%と見積もられており、最終的には世界の新電力の50%に達し、年間520億ドルになります。既存の供給を徐々に置き換えていくことで、20年後には世界の発電量の20％まで成長を続けることができ、3,000億ドル以上の純利益を得ることができます。
批判の声
引退したプリンストン・プラズマ物理学研究所の研究者ダニエル・ジャスビーは、アメリカ物理学会のニュースレター「Physics & Society」（2019年4月号）に掲載された手紙の中で、正当な科学ではなく「ブードゥー・フュージョン」を実践しているとされる核融合スタートアップ企業の一つとして、Helion Energy に言及した。
彼は、同社が「5年から10年でパワーを発揮すると継続的に主張してきたいくつかの企業の1つであるが、ほとんどすべてがD-D融合反応を1回も起こしていないらしい」と指摘した。
しかし、ヘリオンは2011年という早い時期にD-D中性子の生成を実証する査読付きの研究を発表しており、独立したJASONレビューチームによれば、ヘリオンがALPHAプログラムのために部分的に開発したサブスケールのプロトタイプであるVENTIは、2018年に8-1022 ions/m3、4-10-5秒のエネルギー閉じ込め時間、2keVの温度という初期結果を達成している。