核融合エネルギーの未来は何ですか?

Jun 11, 2023

核融合は気候変動の解決には間に合わないが、将来のエネルギー需要にとっては不可欠になる可能性がある

昨年12月、核融合に取り組む物理学者らは画期的な発見を主張した。 カリフォルニアにある国立点火施設（NIF）のチームは、制御された核融合反応から、それを引き起こすために使用されたよりも多くのエネルギーを抽出したと発表した。 これは世界初であり、物理学にとって重要な一歩でしたが、エネルギー源としての核融合の実用化には程遠いものでした。 この注目を集めた発表は、核融合研究に対するよくあるパターンの反応を引き起こした。つまり、この技術を推進する人々からの称賛と、科学者たちが核融合はわずか 20 年（または 30 年か 50 年か、好みで選んでください）先だと約束し続けることに不満を抱く懐疑論者からの反発である。

これらの熱烈な反応は、融合に対する大きな賭けを反映しています。 世界は、化石燃料の燃焼によって引き起こされる気候危機を緩和できる、豊富なクリーン エネルギー源をますます求めています。 核融合（軽い原子核の結合）は、非常に重い放射性元素の原子核を分裂させる今日の核分裂炉に伴う危険な放射性廃棄物を生成することなく、炭素排出量がほぼゼロでエネルギーを生産できる可能性を秘めています。 物理学者は1950年代から核融合発電を研究してきましたが、それを実用的なエネルギー源に変えることは、もどかしいほどに実現できていません。 それは、エネルギーを大量に消費する地球にとって、重要な電力源となることはあるのでしょうか?そしてもしそうなら、地球をメルトダウンから救うのに間に合うのでしょうか?

後者の質問は、この分野で明確な答えがある数少ない質問の 1 つです。 ほとんどの専門家は、2050 年頃までに核融合による大規模なエネルギーを生成できる可能性は低いことに同意しています（慎重な人はさらに 10 年かかる可能性があります）。 今世紀にわたる地球の気温上昇は、それまでに私たちが炭素排出に関して何をするか、あるいはしなかったかによって主に決まる可能性があることを考えると、核融合は救世主にはなり得ません。 （天文台のコラムニスト、ナオミ・オレスケスもここでこの点を指摘している。）「核融合は、将来のエネルギー源として10年前よりもはるかに現実的であるように思えます」と、ローレンス・リバモア国立研究所のプログラムリーダー、オマール・ハリケーンは言う。 NIF が格納されています。 「しかし、それは今後10～20年では実現不可能になるため、他の解決策が必要です。」

したがって、今世紀半ばまでの脱炭素化は他の技術に依存することになる。 核分裂; そしておそらく炭素回収技術もあるだろう。 しかし、さらに先のことに目を向けると、より多くの発展途上国が西側規模のエネルギー予算を必要とし始める今世紀後半には、核融合がエネルギー経済の重要な部分を占めると考える十分な理由があります。 そして、気候変動の問題の解決は一度きりではありません。 気候をあまりにも根本的に変えることなく、今後数十年のボトルネックを乗り越えることができれば、その先への道はよりスムーズになるかもしれない。

核融合は、核分裂とほぼ同時に潜在的なエネルギー源として認識されました。 第二次世界大戦中にシカゴに最初の核分裂炉を建設するプロジェクトを主導したイタリアの物理学者エンリコ・フェルミは、1945年末のマンハッタン計画の報告会で、発電用の核融合炉を構想した。 数年後、科学者たちは核融合エネルギーを放出する方法を発見しましたが、それは制御されていないハルマゲドンのような水素爆弾の爆発の場合に限られていました。 制御された持続的な方法でプロセスを実行する方法を学べば、電気は「あまりにも安くなり、計量することができない」と一部の科学者は予測しました。

しかし、課題は予想をはるかに上回っていました。 「超ハードだよ」とハリケーンは言う。 「私たちは基本的に地球上で星を作っているのです。」 2 つの水素原子を融合させてヘリウムを作ることは、太陽や他の星に動力を供給する主なプロセスです。 このような軽い原子核が結合すると、膨大な量のエネルギーが放出されます。 しかし、これらの原子核は正の電荷を持っているため、互いに反発し、その静電障壁を乗り越えて原子核を融合させるには、膨大な圧力と温度が必要になります。 科学者が核融合用の燃料（水素の2つの重い同位体である重水素と三重水素のプラズマ混合物）を封じ込めることができれば、反応で放出されるエネルギーによって核融合を自立させることができる。 しかし、太陽の中心よりも数倍熱い、約 1 億ケルビンの温度のプラズマをどのように瓶詰めするのでしょうか?

このような極端な条件に耐えられる既知の材料はありません。 タングステンのような極めて耐熱性の高い金属さえも一瞬で溶かしてしまうのです。 原子炉の設計で長年支持されてきた答えは磁気閉じ込めです。つまり、帯電したプラズマを強力な磁場によって形成された「磁気ボトル」に保持し、核融合チャンバーの壁に触れることはありません。 最も人気のあるデザインはトカマクと呼ばれ、1950 年代にソ連の科学者によって提案され、トロイダル (またはドーナツ型) 容器を使用しています。

このプロセスには絶妙なコントロールが必要です。 猛烈に熱いプラズマは静止しません。大きな温度勾配が発生する傾向があり、それによって強い対流が発生し、プラズマが乱流になり、管理が難しくなります。 このような不安定性は、小型の太陽フレアに似ており、プラズマを壁に接触させ、壁に損傷を与える可能性があります。 プラズマが不安定になると、高エネルギーの電子ビームが発生し、反応室のクラッドに穴が開く可能性があります。 これらの変動を抑制または管理することは、トカマク設計者にとって重要な課題の 1 つです。 プリンストンプラズマ物理研究所所長のスティーブン・カウリー氏は、「過去10年間の大きな成功は、この乱流を定量的に詳細に理解できたことだ」と語る。

磁気閉じ込め核融合における最大の障害の 1 つは、核融合プラズマから受ける過酷な処理に耐えることができる材料の必要性です。 特に、重水素と三重水素の核融合では、高エネルギー中性子の強力な束が生成され、金属壁やクラッド内の原子核に衝突し、小さな溶融点が生じます。 その後、金属は再結晶化しますが、原子が最初の位置から移動して弱体化します。 典型的な核融合炉の被覆管では、各原子は炉の寿命にわたって約 100 回置換される可能性があります。

このような強力な中性子の衝突の結果はよく理解されていません。なぜなら、核融合は、稼働中の原子炉で必要とされるような長期間維持されたことがないからです。 英国政府の原子力エネルギー機関である英国原子力公社（UKAEA）の最高経営責任者（CEO）イアン・チャップマン氏は、「材料の劣化や寿命については発電所を運転してみるまで分からないし、今後も分からない」と語る。 それにもかかわらず、これらの劣化問題に対する重要な洞察は、材料の試験に使用できる強力な中性子線を生成する単純な実験から収集できる可能性があります。 このような施設、つまり国際核融合材料照射施設-デモ指向中性子源と呼ばれる粒子加速器ベースのプロジェクトは、2030年代初頭にスペインのグラナダで稼働開始される予定である。 核融合プロトタイプ中性子源と呼ばれる同様の米国の施設が提案されているが、まだ承認されていない。

これらの重要な問題が解決できるという保証はまだありません。 それらが克服できないことが判明した場合、代替手段の 1 つは、溶融や再結晶によって損傷することがない液体金属で反応器の壁を作ることです。 しかし、それは他の一連の技術的な懸念をもたらします、とカウリー氏は言います。

もう一つの大きな課題は、核融合燃料の製造です。 世界には重水素が豊富にあります。この同位体は天然水素の 0.016 パーセントを構成するため、海には文字通り重水素があふれています。 しかし、トリチウムは自然には少量しか形成されず、半減期がわずか 12 年で放射性崩壊するため、常に消滅し続けるため、新たに生成する必要があります。 原理的には、核融合中性子がリチウムと反応してリチウムを生成するため、核融合反応から「生成」することができます。 ほとんどの原子炉設計では、原子炉チャンバーをリチウムブランケットで囲むことによってこの増殖プロセスを組み込んでいます。 いずれにしても、この技術は大規模では実証されておらず、トリチウムの製造と抽出がうまく機能するかどうか、あるいはどの程度うまく機能するかは誰にもわかりません。

世界最大の核融合プロジェクトであるITER（ラテン語で「道」を意味し、元々は「国際熱核融合実験炉」の略語）は南フランスで、プラズマ半径6.2メートルの巨大なトカマクを使用する。 機械全体の重量は 23,000 トンになります。 すべての計画が順調に進めば、欧州連合、英国、中国、インド、日本、韓国、ロシア、米国の支援を受けたITERは、発電所規模で連続エネルギー出力を実証した最初の核融合炉となる（約500メガワット、またはMW）。 建設は 2007 年に始まりました。当初の期待は、2020 年頃までに核融合炉内でプラズマが生成されると期待されていましたが、ITER は度重なる遅れに見舞われ、推定コストは 54 億 5,000 万ドルで 4 倍になりました。 今年1月、プロジェクトの指導者らはさらなる後退を発表した。2035年の運転開始予定が2040年代に遅れる可能性があるというものだ。 ITER は商用電源を生成しません。その名前が示すとおり、ITER は厳密に工学的問題を解決し、実行可能な発電所への道を準備することを目的とした実験機です。

一部の人が成功の保証のない厄介な巨大企業とみなしているこの新たな難題は、核融合懐疑論の新たな騒動を引き起こした。 しかし、そのような問題は予想されることだとハリケーンは言う。 「ITERはかなり叩かれているが、我々は彼らに休息を与え、問題を解決してもらう必要がある」と彼は言う。

チャップマンも同意する。 「政治的にも技術的にも問題が生じることは十分に予想できた」と彼は言う。 「このプロジェクトは、以前には存在しなかったサプライチェーンの確立など、驚くべきことを行っています。」 遅れは残念だ、と彼は認める、「しかし、ITERを振り返って、それが間違いだったと考えることはないだろう。核融合の起源において、それが本当に重要だったと考えるだろう。私はそれがうまくいくと確信している」 。」

発電所用のトカマクはおそらく ITER ほど巨大なものである必要はなく、ITER ほど高価になることは確かにありません。 最近、芯を取り除いたリンゴのような、より球形の小型デバイスへの関心が高まっています。 そのうちの 1 つは、エネルギー生産のための球形トカマク (STEP) と呼ばれ、ITER と並行して開発されるパイロット プラントとして UKAEA によって計画されています。

球形の設計コンセプトは、メガアンペア球形トカマク (MAST) と呼ばれる装置を使用した原理実証に成功し、UKAEA と欧州原子力共同体 (ユーラトム) の監督下で 1999 年から 2013 年まで運用されました。 これらの小型機械はエネルギー密度が高いため、特に「排気」システムでの高温の使用済み燃料の抽出による熱損傷のリスクが高くなります。 改良版である MAST アップグレードは 2020 年に導入され、オリジナルよりも約 20 倍効率的に熱を抽出できるようになりました。 「これはまさに、コンパクトな発電所の構想への道を開くものです」とチャップマン氏は言う。

STEP は正味の電力を生産するプロトタイプ プラントを目指しています。 まだ概念設計の段階にあるが、英国政府はすでに、従来の原子力ライセンスの必要性を排除する世界初の核融合プロジェクトのための特別規制の制定に動いている。 首脳らは昨年10月、用地を選定した。イングランド北部の石炭火力発電所で、3月に運転が停止され、2024年初めに取り壊される予定だ。この用地にはすでに冷却水の供給があり、国の送電網や鉄道システムへの接続も整っている。

EU は、EUROfusion コンソーシアムが管理する DEMOnstration Power Plant (DEMO) と呼ばれる独自のプロトタイプ プラントを計画しています。 このプロジェクトは当初、500MWの発電所を計画していたが、昨年、ITERの遅延から生じる技術的な不確実性により、コンソーシアムは目標を約200MWに縮小した。 ユーロフュージョンのプログラムマネージャーであるトニー・ドネ氏は、建設は2040年代初頭に始まる可能性があると述べている。 「そのような装置は10年以内に構築できると確信しています。」

ドネ氏は、韓国、日本、中国にも核融合発電所に向けた同様の「踏み台」プロジェクトがあると付け加えた。 米国は核融合核科学施設と呼ばれる小型の装置の計画を立てた。 「中国は党への参加が少し遅れたが、現在は多額の投資を行っており、急速に労働力を増やしている」とチャップマン氏は言う。 「欧州や米国にすでに存在するものに確実に追いつきつつある」とドネ氏は、各国が情報を共有し続ける限り、最初の核融合プラントのプロトタイプを巡るある種の「ムーンレース」のような友好的な競争が有益になる可能性があると信じている。

国内外の大規模プロジェクトだけがすべてではありません。 小型球状トカマクは、民間企業が核融合を実現できる技術の一つです。 マサチューセッツ州のコモンウェルス・フュージョン・システムズ（CFS）、カナダのゼネラル・フュージョン、英国のトカマク・エナジーなど、数十社の核融合スタートアップ企業が世界中で誕生している。

ゼネラル・フュージョンは、UKAEAの支援を受けて、2025年までに（野心的に）稼働させたいと考えている実証プラントの建設に着手したところである。同社の元最高経営責任者（CEO）クリストファー・モウリー氏によれば、これは「発電所に関連する初の大型発電所となる」という。規模のデモンストレーション。」 一方、CFSはマサチューセッツ工科大学のプラズマ科学・核融合センター（PSFC）などと協力して、やはり2025年の完成を目指してSPARCと呼ばれる試作装置を構築している。SPARCはプラズマを搭載した中型トカマク型である。 MITで開発され、2021年に発表された新しい高温超伝導磁石によって生成される非常に強力な磁場によってしっかりと閉じ込められている。このような磁石は、磁気閉じ込め核融合の重要なステップとして歓迎されている。なぜなら、プラズマの強度が増すにつれてプラズマ内の電力密度が急速に増加するためである。磁場が上がります。

SPARC チームは、プラズマから正味エネルギー (内部エネルギーよりも外部エネルギーの約 10 倍) を抽出し、50 ～ 140 MW の核融合電力を生成することを目指しています。 SPARCはITERよりもはるかに小さいが、PSFC所長のデニス・ホワイト氏は、商業化の妨げとなる科学技術の問題を解決するという使命は同様であると語る。 送電網にエネルギーを供給するわけではないが、MITで開発され、これまでで「最も影響力のある企業」とカウリー氏が考えるCFSが追求する「手頃な価格で堅牢でコンパクトな」核融合炉コンセプトへの道を切り開くことを目的としている。

カウリー氏はそのようなプロジェクトを歓迎するが、核融合を現実的なエネルギー源にするための近道とみなすことには警告している。 「これらの新興企業が多大な熱意を持って参入してきており、問題の特定の部分に重点を置いていることがわかります」と彼は言う。 そのうちの1社が大手企業より先に核融合エネルギーを商業化する可能性は非常に低く、一部の新興企業がいつもそうであるように、多くは単純に倒産するだろう。 しかし、チャップマン氏は、他の企業も専門知識や磁石などの特殊なコンポーネントの貴重なサプライヤーになるだろうと信じている。 「小規模核融合企業のほとんどは最終的にはサプライチェーンの一部となるだろう」と彼は言う。

磁気閉じ込め核融合のセットアップは、必ずしもトカマクに限定されるわけではありません。 1950年代、天体物理学者ライマン・スピッツァーは、ねじれたトンネル壁を備えたドーナツ室の方がプラズマがより効果的に閉じ込められるのではないかと主張した。 この構成を使用すると、装置は、帯電プラズマ自体の流れによって生成される磁場を使用して、プラズマを拘束した状態に保つことができます。

ステラレーターと呼ばれるこの設計のより複雑な形状は設計が難しいですが、いくつかのプロジェクトがそれを追求しています。 注目すべき例は、ドイツのグライフスヴァルトにあるウェンデルシュタイン 7-X ステラレーターで、2015 年に完成し、3 年間のアップグレードを経て現在は再稼働しています。 「ステラレーターにはいくつかの利点がありますが、技術的にはより複雑な装置です」とドネ氏は言います。 「ヨーロッパでは、トカマクのバックアップとしてステラレーターの開発に取り組んでいます。」 この技術はまだ比較的初期段階にあるため、そのバックアップが不可欠であることが判明した場合、実用的な核融合のスケジュールは再び延期される可能性がある。

NIF の戦略は、これらすべてのプロジェクトとはまったく異なります。 NIF実験では、磁場によって閉じ込められた大量のプラズマを使用する代わりに、重水素と三重水素の小さなターゲットに点火します。 この場合、実験で燃料を急激に絞って激しく加熱することで核融合を引き起こした後、核融合プラズマは自身の慣性によってほんの一瞬だけ所定の位置に保持されます。これは慣性閉じ込め核融合と呼ばれるスキームです。 NIF は、非常に強力なレーザー ビームをペレット状のターゲットに集中させることで、このような極限状態を作り出します。 核融合エネルギーは、高温プラズマが膨張する前に短時間で放出されます。 したがって、この種のエネルギー生成はパルス的に発生し、点火するには燃料カプセルを反応室内に次々と絶えず移動させる必要があります。 ほとんどの研究者は、このアプローチが実用化されるためには、カプセルを 1 秒間に約 10 回交換する必要があると推定しています。

慣性閉じ込め核融合の課題は困難であり、現在、世界でそれを研究している施設はわずかです。 最大の NIF のほかに、フランスのメガジュール レーザー施設と中国の Shenguang-III レーザー施設があります。 ロシアもこのアプローチを追求している可能性があるが、詳細を確認するのは困難である。 エネルギー生成は実際には NIF ミッションの主要部分ではありません。 この施設は主に、米国の核兵器備蓄を研究し維持するために核反応を引き起こすことを目的としていた。 「NIFの主な活動は、全額米国国家安全保障機関から資金提供されている」とハリケーンは言う。 「これは核融合炉ではなく、実際的な意味で核融合エネルギーを実証することを目的としたものではありません。」

慣性閉じ込め核融合をエネルギー供給の真の候補にするためには、さらに多くの研究が待ち構えています。 NIFの慣性核融合エネルギー構想を率いるタミー・マー氏は、「研究は基礎科学に焦点を当てており、発電所に必要な支援技術にはそれほど力を入れていない」と語る。

このように核融合プロジェクトのさまざまな状況を考慮すると、実用的な核融合エネルギーはどれくらい近づいているのでしょうか? チャップマン氏は、「現在、エネルギーを生産する核融合発電所を建設するプロジェクトは一つも進行していない」と率直に言う。

そして、単なるプロトタイプではない実際の発電所の建設には 10 年ほどかかります。 「実験は進んでおり、その進歩は目覚ましいものです」とチャップマン氏は言う。「しかし、核融合は数年後には（質量エネルギー源として）機能しなくなるだろう。」 ドネ氏はさらに率直に、「5年か10年以内に将来の原子炉が稼働するだろうと私に言う人は、まったくの無知か嘘つきかのどちらかだ」と語った。

核融合エネルギーがいつ到着するかを予測することは常に危険な仕事であったが、専門家は現在、おおよそのタイムスケールについてほぼ同意している。 「2030年代末までにパイロットプラントが稼働すると仮定します。ただし、ある程度は進むでしょう」とカウリー氏は言う。 このようなプラントが商業化の青写真になる可能性は低いため、「パイロットプラントから最初の商業炉までにはさらに10年ほどの段階があると思う」と同氏は言う。 チャップマン氏は、核融合発電所が 2050 年頃までに送電網に電力を供給するようになる可能性があり、その後、今世紀後半、特に 2060 年以降のエネルギー経済にとって着実に重要性が高まる可能性があることに同意しています。

核融合プラントは、今日の化石燃料または核分裂プラントとほぼ同じ規模で、出力は数ギガワットになると考えられます。 つまり、同じ敷地に同じものを置き換えて、必要なすべての送電網インフラがすでに整備されている状態で建設できるということです。 「核融合は、化石燃料や核分裂のいずれかを接続して置き換えるのが非常に簡単であると言えるでしょう」とドネ氏は言う。 「これは非常にスムーズな移行となる可能性があります。」 同氏は、核融合プラントがまずまだ稼働中の石炭火力発電所に取って代わり、次に石油とガス、最後に核分裂に取って代わると予想している。

たとえ核融合が差し迫った気候危機から私たちを救えないとしても、長期的には地球を破壊することなくエネルギー需要を満たす最良の選択肢かもしれない。 ソ連の核融合の先見者、「トカマクの父」レフ・アルツィモビッチはかつて、世界は核融合が必要と判断すれば核融合を実現するだろうと語った。 「気候変動が生存の脅威としてどのような影響を与えるかを理解すれば、核融合の実現は大幅に加速するだろう」とチャップマン氏は、新型コロナウイルス感染症ワクチンの迅速な開発に例えて述べた。 現時点では、特に世界のエネルギー需要が 2050 年から 2100 年の間に 3 倍に増加すると予測されているため、炭素排出量を正味ゼロに達成するための長期的な方法は他にありません。そのニーズを満たすには「核融合が不可欠です」とチャップマン氏は言います。 「他に何が起こるかわかりません。」 風力や太陽エネルギーなどの再生可能エネルギーには確かに役割があるが、それだけでは十分ではないとドネ氏は言う。

新しい種類のエネルギーインフラをゼロから構築することには、機会と同時に課題も伴います。 核分裂計画者は設計と広報の面でいくつかの重大な間違いを犯したが、今、初期の核融合産業には、特にエネルギーの公平性と正義の問題について考えることによって、それらの間違いから学び、より良くするチャンスがある。 「これらのプラントがある場合、あらゆるタイプのコミュニティにクリーン エネルギー源を提供できるように、どこに配置すればよいでしょうか?」 NIFのマー氏は尋ねる。 「どうすれば多様性のある労働力を構築できるでしょうか? この業界を構築しながら、将来のスキルを身につける人材を確実に訓練するにはどうすればよいでしょうか? 少なくとも今回は正しく行うように努めなければなりません。 」

この記事はもともと「Star Power」というタイトルで Scientific American 328、6、28-35 (2023 年 6 月) に掲載されました。

土井:10.1038/scientificamerican0623-28

フィリップ・ボールロンドンを拠点とするサイエンスライター。 彼の次の著書『How Life Works』（シカゴ大学出版局）は、2023 年秋に出版される予定です。クレジット: Nick Higgins

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