TED日本語 - テイラー・ウィルソン: 僕のラジカルな計画―小型核分裂炉で世界を変える


TED Talks(英語 日本語字幕付き動画)

TED日本語 - テイラー・ウィルソン: 僕のラジカルな計画―小型核分裂炉で世界を変える

TED Talks

My radical plan for small nuclear fission reactors
Taylor Wilson


テイラー・ウィルソンが 自宅ガレージで核融合炉を作ったのは14歳のとき。19歳となった今、彼は再びTEDのステージに立ち、既存技術である「核分裂」の新たな活用法を提示します。ウィルソンは、支援を取り付けて起業し、彼のビジョン実現に向けて動いています。なぜ 小型のモジュール式核分裂炉を製作する革新的な計画に燃えているのか―そして、なぜ それが 世界のエネルギー危機を救う大きな一歩となりうるのか、語ります。


Well, I have a big announcement to make today, and I'm really excited about this. And this may be a little bit of a surprise to many of you who know my research and what I've done well. I've really tried to solve some big problems: counterterrorism, nuclear terrorism, and health care and diagnosing and treating cancer, but I started thinking about all these problems, and I realized that the really biggest problem we face, what all these other problems come down to, is energy, is electricity, the flow of electrons. And I decided that I was going to set out to try to solve this problem.

And this probably is not what you're expecting. You're probably expecting me to come up here and talk about fusion, because that's what I've done most of my life. But this is actually a talk about, okay -- (Laughter) - but this is actually a talk about fission. It's about perfecting something old, and bringing something old into the 21st century.

Let's talk a little bit about how nuclear fission works. In a nuclear power plant, you have a big pot of water that's under high pressure, and you have some fuel rods, and these fuel rods are encased in zirconium, and they're little pellets of uranium dioxide fuel, and a fission reaction is controlled and maintained at a proper level, and that reaction heats up water, the water turns to steam, steam turns the turbine, and you produce electricity from it. This is the same way we've been producing electricity, the steam turbine idea, for 100 years, and nuclear was a really big advancement in a way to heat the water, but you still boil water and that turns to steam and turns the turbine.

And I thought, you know, is this the best way to do it? Is fission kind of played out, or is there something left to innovate here? And I realized that I had hit upon something that I think has this huge potential to change the world. And this is what it is.

This is a small modular reactor. So it's not as big as the reactor you see in the diagram here. This is between 50 and 100 megawatts. But that's a ton of power. That's between, say at an average use, that's maybe 25,000 to 100,000 homes could run off that. Now the really interesting thing about these reactors is they're built in a factory. So they're modular reactors that are built essentially on an assembly line, and they're trucked anywhere in the world, you plop them down, and they produce electricity. This region right here is the reactor.

And this is buried below ground, which is really important. For someone who's done a lot of counterterrorism work, I can't extol to you how great having something buried below the ground is for proliferation and security concerns.

And inside this reactor is a molten salt, so anybody who's a fan of thorium, they're going to be really excited about this, because these reactors happen to be really good at breeding and burning the thorium fuel cycle, uranium-233.

But I'm not really concerned about the fuel. You can run these off -- they're really hungry, they really like down-blended weapons pits, so that's highly enriched uranium and weapons-grade plutonium that's been down-blended. It's made into a grade where it's not usable for a nuclear weapon, but they love this stuff. And we have a lot of it sitting around, because this is a big problem. You know, in the Cold War, we built up this huge arsenal of nuclear weapons, and that was great, and we don't need them anymore, and what are we doing with all the waste, essentially? What are we doing with all the pits of those nuclear weapons? Well, we're securing them, and it would be great if we could burn them, eat them up, and this reactor loves this stuff.

So it's a molten salt reactor. It has a core, and it has a heat exchanger from the hot salt, the radioactive salt, to a cold salt which isn't radioactive. It's still thermally hot but it's not radioactive. And then that's a heat exchanger to what makes this design really, really interesting, and that's a heat exchanger to a gas. So going back to what I was saying before about all power being produced -- well, other than photovoltaic -- being produced by this boiling of steam and turning a turbine, that's actually not that efficient, and in fact, in a nuclear power plant like this, it's only roughly 30 to 35 percent efficient. That's how much thermal energy the reactor's putting out to how much electricity it's producing. And the reason the efficiencies are so low is these reactors operate at pretty low temperature. They operate anywhere from, you know, maybe 200 to 300 degrees Celsius. And these reactors run at 600 to 700 degrees Celsius, which means the higher the temperature you go to, thermodynamics tells you that you will have higher efficiencies. And this reactor doesn't use water. It uses gas, so supercritical CO2 or helium, and that goes into a turbine, and this is called the Brayton cycle. This is the thermodynamic cycle that produces electricity, and this makes this almost 50 percent efficient, between 45 and 50 percent efficiency. And I'm really excited about this, because it's a very compact core. Molten salt reactors are very compact by nature, but what's also great is you get a lot more electricity out for how much uranium you're fissioning, not to mention the fact that these burn up. Their burn-up is much higher. So for a given amount of fuel you put in the reactor, a lot more of it's being used.

And the problem with a traditional nuclear power plant like this is, you've got these rods that are clad in zirconium, and inside them are uranium dioxide fuel pellets. Well, uranium dioxide's a ceramic, and ceramic doesn't like releasing what's inside of it. So you have what's called the xenon pit, and so some of these fission products love neutrons. They love the neutrons that are going on and helping this reaction take place. And they eat them up, which means that, combined with the fact that the cladding doesn't last very long, you can only run one of these reactors for roughly, say,18 months without refueling it. So these reactors run for 30 years without refueling, which is, in my opinion, very, very amazing, because it means it's a sealed system. No refueling means you can seal them up and they're not going to be a proliferation risk, and they're not going to have either nuclear material or radiological material proliferated from their cores.

But let's go back to safety, because everybody after Fukushima had to reassess the safety of nuclear, and one of the things when I set out to design a power reactor was it had to be passively and intrinsically safe, and I'm really excited about this reactor for essentially two reasons. One, it doesn't operate at high pressure. So traditional reactors like a pressurized water reactor or boiling water reactor, they're very, very hot water at very high pressures, and this means, essentially, in the event of an accident, if you had any kind of breach of this stainless steel pressure vessel, the coolant would leave the core. These reactors operate at essentially atmospheric pressure, so there's no inclination for the fission products to leave the reactor in the event of an accident. Also, they operate at high temperatures, and the fuel is molten, so they can't melt down, but in the event that the reactor ever went out of tolerances, or you lost off-site power in the case of something like Fukushima, there's a dump tank. Because your fuel is liquid, and it's combined with your coolant, you could actually just drain the core into what's called a sub-critical setting, basically a tank underneath the reactor that has some neutrons absorbers. And this is really important, because the reaction stops. In this kind of reactor, you can't do that. The fuel, like I said, is ceramic inside zirconium fuel rods, and in the event of an accident in one of these type of reactors, Fukushima and Three Mile Island -- looking back at Three Mile Island, we didn't really see this for a while - but these zirconium claddings on these fuel rods, what happens is, when they see high pressure water, steam, in an oxidizing environment, they'll actually produce hydrogen, and that hydrogen has this explosive capability to release fission products. So the core of this reactor, since it's not under pressure and it doesn't have this chemical reactivity, means that there's no inclination for the fission products to leave this reactor. So even in the event of an accident, yeah, the reactor may be toast, which is, you know, sorry for the power company, but we're not going to contaminate large quantities of land. So I really think that in the, say,20 years it's going to take us to get fusion and make fusion a reality, this could be the source of energy that provides carbon-free electricity. Carbon-free electricity.

And it's an amazing technology because not only does it combat climate change, but it's an innovation. It's a way to bring power to the developing world, because it's produced in a factory and it's cheap. You can put them anywhere in the world you want to.

And maybe something else. As a kid, I was obsessed with space. Well, I was obsessed with nuclear science too, to a point, but before that I was obsessed with space, and I was really excited about, you know, being an astronaut and designing rockets, which was something that was always exciting to me. But I think I get to come back to this, because imagine having a compact reactor in a rocket that produces 50 to 100 megawatts. That is the rocket designer's dream. That's someone who is designing a habitat on another planet's dream. Not only do you have 50 to 100 megawatts to power whatever you want to provide propulsion to get you there, but you have power once you get there. You know, rocket designers who use solar panels or fuel cells, I mean a few watts or kilowatts -- wow, that's a lot of power. I mean, now we're talking about 100 megawatts. That's a ton of power. That could power a Martian community. That could power a rocket there. And so I hope that maybe I'll have an opportunity to kind of explore my rocketry passion at the same time that I explore my nuclear passion.

And people say, "Oh, well, you've launched this thing, and it's radioactive, into space, and what about accidents?" But we launch plutonium batteries all the time. Everybody was really excited about Curiosity, and that had this big plutonium battery on board that has plutonium-238, which actually has a higher specific activity than the low-enriched uranium fuel of these molten salt reactors, which means that the effects would be negligible, because you launch it cold, and when it gets into space is where you actually activate this reactor.

So I'm really excited. I think that I've designed this reactor here that can be an innovative source of energy, provide power for all kinds of neat scientific applications, and I'm really prepared to do this. I graduated high school in May, and -- (Laughter) (Applause) - I graduated high school in May, and I decided that I was going to start up a company to commercialize these technologies that I've developed, these revolutionary detectors for scanning cargo containers and these systems to produce medical isotopes, but I want to do this, and I've slowly been building up a team of some of the most incredible people I've ever had the chance to work with, and I'm really prepared to make this a reality. And I think, I think, that looking at the technology, this will be cheaper than or the same price as natural gas, and you don't have to refuel it for 30 years, which is an advantage for the developing world.

And I'll just say one more maybe philosophical thing to end with, which is weird for a scientist. But I think there's something really poetic about using nuclear power to propel us to the stars, because the stars are giant fusion reactors. They're giant nuclear cauldrons in the sky. The energy that I'm able to talk to you today, while it was converted to chemical energy in my food, originally came from a nuclear reaction, and so there's something poetic about, in my opinion, perfecting nuclear fission and using it as a future source of innovative energy.

So thank you guys.


今日は 重大発表があるので すごくワクワクしています 僕の研究や これまでの成果を ご存知の方々には ちょっと驚きの内容かもしれません 僕は 今まで いくつかの大きな問題― テロ 核テロ対策や保健やガンの診断・治療といった 問題を解決すべく 取り組んできました でも これらの問題を考え始めて 気づいたんです今 我々が直面している最大の問題― こうした個々の問題が行きつく先は エネルギーであり 電気つまり電子の流れです そこで 僕はこの問題を 解決しようと決めたのです

これは 皆さんが期待しているものとはおそらく違うでしょう 僕がここで 核融合について 話すと思っているでしょうから 核融合に人生を捧げてきましたからね でも 今日の話はですね― (笑)― でも 今日の話は 核分裂についてです 古くからある技術を極めて 21世紀に持ち込むのです

まず 核分裂の仕組みについて少し紹介します 原子力発電所には 水の入った大きな加圧容器と 燃料棒があり この燃料棒はジルコニウムで被覆された 小さな二酸化ウラン燃料ペレットからなります 核分裂反応は 適切なレベルで制御 維持されています 核分裂反応によって 水が熱され 水が蒸気に変わり蒸気がタービンを回すことで 電気を得られるのです 100年も前からこの方法―蒸気タービン発電で 電力を作ってきました 原子力は 水を熱する方法を 大きく進化させはしましたが 水を熱して 蒸気に変えそれでタービンを回すところは同じです

そこで思ったのですこれが一番いいやり方なのか? 核分裂は 枯れた技術になったのか? それとも まだ何か革新できることが残っているのか? そこで 僕は世界を変える― 大きな可能性があることを思いつきました これです

小型モジュール式原子炉です あちらの図に示したような原子炉ほど大きくありません でも 50~100メガワットという 大きな電力を作れます これは そう 平均的な家庭で 2万5千から10万世帯分の電力です この原子炉が 魅力的なのは 工場で作れることです これら モジュール式原子炉は 基本的に 組立ラインで作れ 世界中 どこへでも運べ 設置さえすれば 発電ができます ちょうど この部分が原子炉で

ここが重要なのですが地下に埋められています テロ対策に通じている人なら 地下に埋めることが どれだけ核拡散防止や警備の上で素晴らしいことか 言うまでもないでしょう

原子炉内には 融解塩があり トリウムの信奉者には 大変うれしいことですが この種の原子炉はトリウムの燃料サイクルによる 増殖と燃焼 つまりウラン233に 適しています

でも 燃料については あまり心配していません この原子炉に使える燃料は―大好物の燃料は 核爆弾コアを希釈したものです 高濃度ウランと兵器級プルトニウムを 希釈したものです こうすると核兵器には使えませんが この原子炉には最適です 古い核兵器は 大きな問題で こうしたものが溜まっています 冷戦時代 この核兵器を 大量に作りました当時は大事なことでしたが もはや そんなものは要りません そもそも こんな廃棄物をどうしろと言うのでしょう 核兵器が大量にあるのです 安全に保管するわけですが 燃やして使い切れたらよいですよね この原子炉は それができます

これは融解塩炉で炉心があり 熱交換器でホットな つまり放射性の塩から コールドな つまり放射能のない塩に熱を移します 温度は高いけれど放射能のない塩です この設計を 本当に面白くするのは 熱交換器で 気体への熱交換を行います さて さきほど 電力は全て まあ 太陽光発電を除けば 蒸気を熱してタービンを回すことで作られると言いました 実は これはそれほど効率はよくないんです 図のような原子力発電でも 大体 30~35%の効率なんです この数字は 炉が出力する熱エネルギーと 実際に発電できる電力の割合で 熱効率が悪いのはこれらの炉が 低温で稼働しているからです 炉の温度は せいぜい 摂氏200~300度くらいなんです でも 新しい炉は 摂氏600~700度で稼働します 温度を高くすれば より高い熱効率を得られます そして この炉は水を使わず 超臨界のCO2やヘリウムといった気体を使い それでタービンを回すのです これは ブレイトンサイクルと言います 電気を作る熱力学のサイクルで 熱効率は ほぼ50% 45%~50%の効率になります 素晴らしいと思うのは 炉心がかなりコンパクトなことです 融解塩炉は もともと小さなものですが さらに すごいのは核分裂させたウランから より多くの電気を生み出せることです おまけに 燃焼してなくなる この燃焼度は かなり高いです 同じ量の燃料でも この炉なら より多くの割合が使えるのです

こうした 今までの原子力発電の問題点は ジルコニウムで被覆された燃料棒があり 中に 二酸化ウランの燃料ペレットがあることです 二酸化ウランはセラミックで セラミックの中のものは放出されにくいのです するとキセノンピットという現象が起きます 核分裂生成物の中には中性子を好むものもあります 飛び回って― この反応を起こしている中性子を捉えてしまうのです 中性子が食われてしまうことや 被覆材も それほど長持ちしないことからも 燃料補給なしに稼働できるのは せいぜい 18ヶ月といったところです 新しい原子炉は 燃料補給なしで30年も稼働できる これは 僕は本当に素晴らしいことだと思うんです 密封されたシステムということですから 燃料を補給しなくて良いので 密封できます 核拡散の危険もなく 炉心から 核物質や放射性物質が 外に漏れることもないのです

安全の問題に戻りましょう フクシマ事故のあと 誰もが原子力の安全性見直しを迫られました 僕が 原子炉を設計するときに考えたことの一つは そのままでも 本質的に安全であることでしたから 僕が この原子炉に大いに期待しているのは 主に 二つの理由からです まず 高圧下で稼働しないこと 加圧水型炉 沸騰水型原子炉といった これまでの原子炉は非常に高温の水を 高圧下で使いますすなわち 事故が起こったとき もし ステンレス鋼圧力容器が破損したら 冷却剤が 炉心から流れ出すのです 新しい原子炉はほぼ大気圧で稼働しますから 事故のときにも核分裂の生成物が 炉の外に出ることはありません さらに 高温で稼働し 燃料も融解されているのでメルト・ダウンも起こりません 原子炉が許容範囲を超えたり フクシマのように電力供給が断たれたりしたときは 排出タンクがあります 燃料は液体で冷却剤と一緒になっているので 炉心を流し出して 臨界以下の条件に落とせます 基本的には反応炉の下にある 中性子吸収剤の入ったタンクに落とすのです これは本当に重要なことです核反応を止められるのですから 古いタイプの原子炉ではそれができないのです さっき言った通り燃料はジルコニウム燃料棒内のセラミックで この原子炉で事故が起こったとき フクシマや―その前のスリー・マイル島の事故では 解明するまでに時間がかかりましたが― 燃料棒のジルコニウム被覆は 高圧の水や蒸気に 酸化環境でさらされたとき 水素を発生します 水素は爆発する可能性があり 核分裂の生成物を放出することになります 新しい原子炉の炉心には圧力は加わっていないので 化学的な反応は起こらず 中の核分裂の生成物が 炉の外に出ることもないのです 事故が起こったとしても まあ 原子炉はダメになるかもしれない それは電力会社には気の毒だけど でも 多くの土地を汚染することはないんです 僕は思うんです 核融合が実用化されるには あと20年ぐらいかかるでしょう 新しい原子炉がその間のエネルギー源として カーボンフリーの電気を提供するでしょう カーボンフリーの電気です

素晴らしい技術ですよ 何と言っても気候変動を阻止するだけでなく イノベーションなんですから これは 発展途上国に電力を提供する方法でもあります 工場で作れる上に 安いですから 世界中の 好きなところに設置できます

もしかすると 他のことにも使えます 子どもの頃 僕は宇宙に夢中でした 原子核科学にも夢中でしたよそれなりに でも その前は 宇宙だったんです 本当に大好きで 宇宙飛行士になりロケットを設計する それで ずっと胸を躍らせていました 僕は ここに戻ってきたんだなと思います 小型原子炉をロケットに積めば 50~100メガワットの電力を供給できるわけですから これは ロケット設計者の夢 異星への移住も夢じゃない 50~100メガワットの電力で 行きたいところに行けるだけでなく 着いてからも 電力があるのです ロケット設計にソーラーパネルや 燃料電池を使えば数ワット 数キロワットが出せます それは たくさんの電力です でも ここで話しているのは 100メガワット すごい電力ですよ 火星の街に電力供給できるし そこのロケットにも供給できます だから― 僕は 原子力に情熱を捧げると同時に ロケットへの情熱も燃やせればと思っています

みんな 言うでしょう「この放射性物質を 宇宙に飛ばして事故があったらどうするの?」 でも もう 我々はずっとプルトニウム電池を使っています 火星探査機キュリオシティは皆さん 大好きですけど そこには プルトニウム電池が搭載されていて プルトニウム-238が使われています でも そのプルトニウムよりも 融解塩炉の低濃度ウラン燃料の方が比放射能は低く その影響は無視できる程度です この炉を稼働させるのは 宇宙に出てからで発射時には核分裂反応は起きていないからです

僕は 本当に張り切っています 僕が設計した この原子炉は エネルギーの革新的な供給源となり 様々な 素晴らしい科学活動に使えると思うからです 僕は もう準備万端です 僕は 5月に高校を卒業して― (笑)(拍手)- 僕は 5月に高校を卒業して 起業をすると決めました 僕が開発した これらの技術 貨物コンテナの革新的な検知器そして― 医療用アイソトープの生産システムを商業化するのです でも コイツもやりたくて今まで一緒に仕事をする機会のあった 大変素晴らしい人たちを集めて 徐々にチームを作ってきました 本当に実現できると思っています 僕は思うのですが技術を見て これは 天然ガスと同じかそれよりも安く 30年もの間 燃料補給は不要です これは 発展途上国にとって大きなメリットになります

科学者としては おかしいですが一つ 哲学的なことを言って 終わりにしたいと思います でも 原子力を使って他の星に飛んでいくのは これは とても詩的なところがあると思うんです 宇宙の星は巨大な融合炉ですから 空に浮かぶ巨大な原子炉です 今日お話ししている僕のエネルギー源も 元々は核反応から由来して 食物の化学エネルギーに変換されたもの ですから 核分裂の技術を極め 将来の革新的エネルギー源とすることは やっぱり 詩的なんだと思います



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