核融合発電が再び流行りだす

核融合発電が再び流行りだす
ジェネラル・フュージョンのミッシェル・ラベルジュ博士。 "General Fusion Michel Laberge (33250324636)" by Eye Steel Film from Canada is licensed under CC BY 2.0.
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1月12日、英国のオックスフォードシャー州議会は、カルハム村の近くに新しい建物を建設することを許可した。申請したのはカナダのジェネラル・フュージョンで、この建物には同社の核融合実証プログラム、つまり商業用核融合炉の10分の7スケールのプロトタイプが設置される予定である。ジェネラル・フュージョンがカルハムを選んだ理由は、1983年に各国政府のコンソーシアムによって開設された核融合実験炉「ジョイント・ヨーロピアン・トーラス(欧州トーラス共同研究施設、JET)」がある場所だからだ。つまり、地元には採用すべき人材がたくさんいる。

ジェネラル・フュージョンは一人ではあらない。2月10日、英国のトカマク・エナジーは、同じくカルハムで1/4スケールのプロトタイプ「ST80-HTS」の計画を発表した。そして2024年には、同じく英国の企業であるファーストライト・フュージョンの商業化前の実証機であるマシン4が加わる予定だ。

一方、海の向こうのマサチューセッツ州では、コモンウェルス・フュージョン・システムズが、ボストンの西にある町デベンズで、すでにハーフスケールのプロトタイプ「SPARC」を建設。一方、アメリカのワシントン州エベレットでは、ヘリオンエナジーが「ポラリス」と呼ばれる試作機を建設中である。また、ロサンゼルス郊外のフットヒル・ランチでは、テー・テクノロジーズが同様に「コペルニクス」と名付けたマシンを開発している。

これら6社と、この分野の業界団体である核融合産業協会(FIA)が認定した36社は、グリーンエネルギーの波に乗って、炭素のない未来に向かうことを望んでいる。彼らは、核融合を研究室から送電網に導入することで、他の企業が失敗した場合に成功できると考えている。しかも、米エネルギー省が650億ドルの費用をかけて南フランスに建設中の最新の巨大実験施設「ITER(イーター)」よりもはるかに小型で安価な装置でそれを実現できると想定している。この楽観論は、過去に利用できなかった技術や材料の使用に基づいている場合もあれば、よりシンプルな設計に基づいている場合もある。

国際原子力機関(FIA)が公表している急成長中の研究開発リストの多くは、まだ始まったばかりである。しかし、ジェネラル・フュージョン、トカマク、コモンウェルス、ヘリオン、TAEはいずれも2億5,000万ドルを超える投資を受けている。TAEは12億ドル、コモンウェルスは20億ドルを受け取っている。ファーストライトは、1億ドル程度でやっている。しかし、ファーストライトは他の会社よりもシンプルな手法(会長のバート・マーカスいわく「ネジの数が少ない」)を採用しているため、すぐに現金が必要というわけでもない。

これらの企業はすべて、同じようなタイムテーブルを持っている。現在、あるいは間もなく、最終的なプロトタイプを完成させる。2020年代半ばから後半にかけて、このプロトタイプを使って、プロセスに残っている問題を解決していく予定だ。その先にあるのは、実験的とはいえ、電気系統に電力を供給できる200MWから400MWの発電所であることは、誰もが認めている。多くの企業では、2030年代初頭の完成を目指している。

歴史はまだ浅い

1920年代から1930年代にかけて、水素原子の原子核である陽子が融合して、アルファ粒子として知られるヘリウム4の原子核が生成されることを発見した。アルファ粒子は、4個の陽子より軽い。アインシュタインの方程式「E=mc2」の通り、熱というエネルギーに変換されたのだ。

これは、技術的に有望だと思われた。しかし、太陽と同じ方法では不可能であることは、すぐに明らかになった。

原子核を融合させるには、熱か圧力、あるいはその両方が必要だ。圧力は、核と核の間の空間を狭め、核と核の出会いを促す。熱によって原子核の移動速度は十分に速くなり、出会ったときにクーロン障壁と呼ばれる静電反発を克服して、近距離でしか働かない強い核力と呼ばれる現象に支配されるようになる。強い力は陽子と中性子を結びつけて原子核を形成するため、クーロン障壁を突破すると、すぐに新しい大きな原子核が形成される。

太陽核融合が起こる温度は1550万度と高いが、技術者にとっては十分に手の届く範囲だ。実験炉は1億度を実現し、さらに高温にすることが期待されている。しかし、その圧力(2,500億気圧)には勝てない。さらに、太陽核融合の原料は難点がある。ヘリウムに至る最初のステップである、2個の陽子を融合させて重水素という水素の重い同位体(陽子と中性子)を形成するには、平均90億年かかるとされている。

エンジニアが提案するのは、このように太陽反応の模造だ。一般的なアプローチは、ジェネラル・フュージョン、トカマク、コモンウェルス、ファーストライト、そしてジェットやITERなどの政府プロジェクトが採用しているもので、重水素から始めて、トリチウム(陽子1つと中性子2つ)というさらに重たい(そして放射性)水素と融合させてヘリウム4と中性子を形成する。重水素の核を直接融合させることは、試験的に行われることもあるが、1,000分の1程度の効率しかない。

点火、発進

放出された電力は、反応生成物の運動エネルギーとして現れ、80%が中性子に行き着く。これを熱吸収ブランケットで中性子を遮って熱として捕らえ、蒸気を発生させて発電に利用するというものだ。また、ブランケットの中に、中性子と反応してトリチウムとアルファ粒子を生成するリチウムの同位体であるリチウム6を入れることで、原子炉が必要とするトリチウムを作ることができるようになるというものだ(トリチウムは天然には存在しないため)。重水素は問題ない。水の分子3,200個に1個の割合で重水素が含まれているのだから。

しかし、誰もが重水素・トリチウムの道を歩んでいるわけではない。ヘリオンとTAEは、「Aneutronic Fusion(中性子の少ない核融合)」と呼ばれる方式を提案している。

ヘリオンの提案は、太陽反応の中間段階であるヘリウムの軽い同位体、ヘリウム3(陽子2個と中性子1個)から始めるというものである。しかし、太陽で起こるように2つのヘリウムを融合させるのではなく(ヘリウム4と2つの陽子が得られる)、重水素核と1つずつ融合させ、ヘリウム4と陽子を生成するのだ。ヘリウム3は、2つの重水素から生成される副反応を促進するように条件を調整することで補充されるだろう。

TAEは、さらに興味深いことを提案している。燃料はホウ素(陽子5個、中性子6個)と普通の水素で、どちらも豊富にある。これが融合すると、3つのアルファ粒子に分解される。確かに、TAEはもともとTri-Alpha Energyの略である。問題は、ホウ素・陽子核融合炉が満足に機能するためには、1億度どころか10億度もの高温を発生させなければならないことだ。

重水素・トリチウムの核融合でも、核の集まりを促す方法はたくさんある。1950年代に提唱したジョン・ローソンにちなんで名付けられた「ローソン条件」を作り出すことだ。ローソンは、発電を実現するには、温度、密度、反応を長引かせる時間をうまく調整する必要があることに気づいた。この三位一体が、三重積と呼ばれる値を生み、それが十分に高ければ「着火」となり、反応が持続するのに十分なエネルギーを発生させる。

最も一般的な原子炉の設計であるトカマクは、温度を重要視している。1958年にロシアで発明され、重水素・トリチウムプラズマをよりよく制御できると思われたため、それまでの2つのアプローチ、Zピンチとステラレータを押しのけて登場した(プラズマとは、原子核と電子が分離した気体状の流体である)。反応室は中空のトーラスで、その中にプラズマが収められている。このトーラスの周囲にはトロイダル電磁コイルが巻かれ、その上下には対になったポロイダルコイルがあり、中央にはソレノイドが通っている(1コマ目参照)。

プラズマの粒子は電気を帯びているので、トカマクの磁石を組み合わせることで、粒子を閉じ込めたり、核が融合するところまで加熱したりと、粒子の振る舞いをコントロールすることができる。しかし、プラズマは反応容器の壁に近づけないようにしなければならない。接触すると瞬時に冷却され、核融合は停止する。ステラレータもトロイダル型ではあるが、より複雑な(制御が難しい)磁石の配置が必要である。

従来のトカマクのトーラスはドーナツに似ているが、トカマクエナジー社のデザイン(上の写真はプラズマで満たされた現在の内部)は、芯のあるリンゴに似ている。これは1980年代に、ドーナツよりも効率が良いという計算がなされた。計算したのは、当時ジェットの研究をしていたアラン・サイクス博士で、同社の創業者の一人である。

サイクス博士の球体レイアウトの効率とコンパクトさは、コイルの巻線に高温超電導テープを使うことで大きく向上した(高温とは、液体ヘリウムの沸点-269℃ではなく、窒素の沸点-196℃以下で動作することを意味する)。電気を通すのに抵抗がなく、消費電力が少ない。このようなテープは、現在、いくつかのサプライヤーから市販されている。

コモンウェルスは、マグネットにも高温超伝導体を使用している。また、トカマクは芯のあるリンゴではなく、従来のドーナツ型だが、こちらもコンパクトになる予定だ。

磁石と同じくらい重要なのが、両社がトカマクにもたらしたもう1つの改良点、プラズマ制御だ。例えば、トカマク・エナジーのシステムは、ジェームズ・ボンド映画のセットにも負けないようなコントロールルームで運用されている。このソフトウェアは、プラズマの挙動を高速で追跡することができ、100マイクロ秒ごとに条件を調整し、プラズマを原子炉の壁から遠ざけることができるのだ。実用化されれば、連続運転が可能になる。

圧力をかける

一方、ジェネラル・フュージョンは、温度だけでなく圧力も使ってローソンの基準に合わせることを計画しており、磁化ターゲット核融合と呼ぶアプローチをとっている。燃料はプラズマだが、反応容器の内側は液体金属の回転する円筒で、プロトタイプではリチウム、市販予定モデルではリチウムと鉛の混合物である、と同社のボス、ミシェル・ラベルジュ博士は説明する。

この円筒内の空洞に燃料を注入すると、空気圧ピストンが金属を内側に押し込んで(㊤2コマ目)、空洞を小さな球状につぶす。すると、プラズマが圧縮されて加熱され、融解が始まる。このシステムで着火できれば、発生した熱は液体リチウムに吸収され、それを取り出して蒸気を発生させることができる。また、中性子の一部はライニングに含まれるリチウム6をトリチウムに変える。

ジェネラル・フュージョンも、ピストンを制御するための高度なソフトウェアに頼っているため、プラズマを適切に形成することができる。しかし、ラベルジュ博士は、電磁石を使わないことで設計が単純化され、潜在的な故障の原因が取り除かれたと考えている。

一方、TAEとヘリオンは、プラズマを閉じ込めるために、いわゆる磁場反転構造(㊤3コマ目参照)を採用している。反応室は中空のバーベルのような形をしているが、真ん中に3つ目の「重り」が入っている。両端は回転するプラズマ・トロイドを発生させ、磁場によって互いに撃ち合う。この衝突が核融合の引き金となる。これもまた、高度な制御システムなしには不可能なことである。

ヘリオンもTAEも、蒸気を上げて発電機を動かすのではなく、直接電気を起こすことを計画している。ヘリオンは、融合したプラズマトロイドの磁場と外界の磁場との相互作用から電気を取り出す。どのように発電するかは未定だが、いくつかの方法が検討されているという。

FIAリストの36社のメンバーの中には、別の方法で技術的な限界に挑戦している者もいる。例えば、重水素原子核を反応させて電力を発生させたり、リチウムを陽子と融合させたりと、さらなる燃料サイクルを探求しているところもある。また、重水素と三重水素の組み合わせにこだわって、さまざまなタイプの原子炉を検討しているところもある。

例えば、シアトルのザップ・エナジーは、プラズマ制御を強化し、Zピンチを復活させようとしている。また、アメリカのプリンストン・ステラレータやタイプ・ワン・エナジー・グループ、フランスのルネッサンス・フュージョンなど、いくつかの企業がステラレータを復活させようとしている。

しかし、トカマクや磁場反転型、ジェネラル・フュージョンの水力設計と最も近いところで競合するのは、慣性核融合と呼ばれるアプローチである。これは、燃料を小さなカプセルに入れて出発させ、外部からの衝撃でクーロン障壁を克服するものだ。

現在、慣性核融合の先頭を走っているのはファーストライトだ。同社のエンジニアは、電磁気的な加速度によって発射される弾丸の形で衝撃を加える(㊤4コマ目参照)。標的は、キューブ型の増幅器の中にある燃料カプセルだ。アンプは衝撃波を増幅し(4号機の場合、秒速80kmが期待される)、全方向から同時にカプセルに収束するように屈折させる。これで燃料を爆縮させる。

しかし、ファーストライトのやり方は一風変わっている。他の慣性核融合推進派の多くは、レーザーで衝撃を与えることを計画している。テキサス州オースティンのフォーカス・エナジー、ミュンヘンのマーベル・フュージョン、カリフォルニア州レッドウッドシティのエクシマー・エナジーなどである。これらはすべて、原子兵器の物理を研究するアメリカ政府のプロジェクト、ナショナル・イグニッション・ファシリティ(NIF)が切り開いた道を歩んでいる。

バブルの行き着く先

2022年12月、NIFは点火に達したと発表し、話題を呼びた。しかし、放出されたエネルギーは消費されたエネルギーの1%未満であり、商用核融合のもう一つの必須条件であるQ>1には程遠いものであった。核融合反応を起こすために投入したエネルギーと核融合反応で発生したエネルギー比率 Qは、バージョンによって定義が異なる。しかし、商業に最も適しているのは、「プラグ・トゥ・プラグ」、つまり、全体を動かすために送電網から引き出される電気と、送電網をバックアップするために供給されるエネルギーである。Focused、Marvel、Xcimerは、このQ>1の定義に合致することを望んでいる。

こうしてみると、とてもバブリーでエキサイティングな話に聞こえる。しかし、この「バブル」、いや「バブル」こそが、一部の批評家たちが懸念する「バブル」なのだ。

まず、技術的な課題が多く残されている。マーカス博士の「ネジの本数」についての指摘は鋭い。特に、彼の会社(そしてジェネラル・フュージョンも)は、複雑な磁気プラズマ制御システムの必要性を回避することで対処している。

また、財務面も考慮に入れている。核融合は、他の技術分野と同様、最近の安価な資金の恩恵を受けている。それが終わりを告げれば、尻すぼみになる可能性がある。しかし、群雄割拠のリーダーたちは、好調なうちに現金を蓄えてきた。そのため、金の亡者たちが、願望ではなく結果で判断できるようになるまで、彼らは持ちこたえることができるはずだ。

また、2030年代初頭の到来が確定的と見るべきでもないだろう。英国政府が進めている球状トカマク「ステップ」の建設プロジェクトでは、2040年という慎重な目標が設定されている。

さらに、仮に実用機が登場したとしても、そのニッチを見つけなければならない。各社が語るストーリーは、太陽光や風力といった断続的な電源に対応する「ベースライン」電力を供給することであり、その方法は、他の選択肢である核分裂に対する世論の恐怖を回避するものである。核分裂はうまくいくかもしれないが、エネルギー貯蔵システムなど、他の代替案よりも安価でなければならない。

しかし、核融合の推進派にとって、少なくとも1つの希望となる理由がある。それは、アプローチの種類が非常に多いことだ。そのうちの1つが成功すれば、核融合は幻から現実になる。そして、それが実現すれば、それ自体がエネルギーのあり方を変えることになるかもしれない。■

From "Fusion power is coming back into fashion", published under licence. The original content, in English, can be found on https://www.economist.com/science-and-technology/2023/03/22/fusion-power-is-coming-back-into-fashion

©2023 The Economist Newspaper Limited. All rights reserved.

翻訳:吉田拓史、株式会社アクシオンテクノロジーズ

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