核融合炉の小型版を開発している科学者たちは、一連の研究論文の中で、それが機能することを示した。太陽がエネルギーを生み出す方法を模倣するという長い間待ち望まれていた目標が達成され、最終的には気候変動との戦いに貢献するかもしれないという期待を新たにした。

マサチューセッツ工科大学の研究者と分社のコモンウェルス・フュージョン・システムズ社が開発を進めているスパーク(Sparc)と呼ばれる原子炉の建設は、来春に開始され、3~4年かかるという。多くの重要な課題が残っているが、同社によると、建設に続いてテストが行われ、成功すれば、核融合エネルギーを利用して発電できる発電所が今後10年以内に建設されるという。

この野心的なスケジュールは、世界最大の核融合発電プロジェクトである南フランスの国際熱核融合実験炉(ITER)と呼ばれる多国籍企業のプロジェクトよりもはるかに早い。この原子炉は2013年から建設中で、発電するようには設計されていないが、2035年までに核融合反応を起こすことが期待されている。

核融合は、軽い原子を数千万度の温度でつなぎ合わせてエネルギーを放出するもので、発電による気候変動への対策として世界的に注目されている。

原子を分裂させる従来の核分裂発電所のように、核融合発電所は化石燃料を燃やさず、温室効果ガスを発生させない。しかし、その燃料(通常は水素の同位体)は、ほとんどの原子力発電所で使用されているウランよりもはるかに豊富で、核融合は核分裂発電所よりも放射能や廃棄物の発生量が少なく、危険性も低い。

しかし、核融合プラズマ(触れるものすべてに損傷を与えたり、破壊したりする原子の超高温の雲)を生成し、制御できる機械を作るのは非常に困難である。

何十年にもわたって核融合エネルギーに取り組んできた科学者たちの中には、スパークの展望には熱狂的な期待を寄せているものの、そのタイムテーブルは現実的ではないのではないかと言う人もいる。

スパークはITERよりもはるかに小さく、サッカー場に比べればテニスコートくらいの大きさになると想定されている。2018年に設立され、約100人の従業員を擁するCommonwealth Fusionは、これまでに2億ドルを調達したという。

スパークのイメージ図。Image via https://www.psfc.mit.edu/sparc

核融合の実験が始まってから約1世紀が経つが、使用する以上のエネルギーを生み出すことができる実用的な核融合装置の約束は、いつまでもつかみどころのないままだった。核融合発電は常に「数十年先」のように思われてきた。

今回のケースでも、それが真実であることが判明するかもしれない。しかし、火曜日に発行された『The Journal of Plasma Physics』誌の特別号に掲載された7つの査読付き論文の中で、47人の研究者たちは、Sparcが成功し、消費するエネルギーの10倍ものエネルギーを生み出すことができるという証拠を示した。論文はコンソーシアムが来年にも建設を開始する予定の新しい核融合システムの理論的・経験的物理学的基盤を概説している。

MIT Newsによると、MITのプラズマ科学・核融合センターの副センター長であり、プロジェクトをリードする科学者の一人であるマーティン・グリーンウォルドは、全体的に見て、作業は順調に進んでおり、軌道に乗っていると述べている。この一連の論文は、SPARCのプラズマ物理学と性能予測に高いレベルの信頼性を与えている、とグリーンウォルド氏は言う。予期せぬ障害や驚きは現れておらず、残された課題は管理可能なものになっているようだ。グリーンウォルドによると、これは、一度構築されたデバイスの動作のための強固な基礎を築くことになる。

SPARCは、これまでにない「燃焼プラズマ」、つまり、水素という元素の異なる同位体が融合してヘリウムを形成し、それ以上のエネルギー投入を必要としない自立型核融合反応を実現する実験装置として計画されている。この燃焼プラズマの挙動の研究は、これまで地球上では見られなかった制御された方法で行われており、次のステップである実用的な発電プラントの試作品を開発するための重要な情報と考えられている。

このような核融合発電所は、世界的に温室効果ガスの主要な排出源の一つである発電部門からの温室効果ガスの排出を大幅に削減する可能性がある。MITとCFSのプロジェクトは、核融合分野では過去最大規模の民間資金による研究開発プロジェクトの一つだ。

MIT Newsによると、「MITのグループは、核融合エネルギーに対する非常に説得力のあるアプローチを追求している」と、この研究とは関係のないウィスコンシン大学マディソン校の工学物理学の教授であるChris Hegnaは言う。「彼らは、高温超伝導技術の出現により、磁気閉じ込めシステムから正味のエネルギー利得を得るための高磁場アプローチが可能になることに気付いた。この研究は、国際的な核融合プログラムのためのゲームチェンジャーとなる可能性を秘めている」

SPARCの設計は、現在は引退したMITのAlcator C-Mod実験の約2倍の大きさで、現在稼働中の他の研究用核融合装置に似ているが、はるかに強力で、国際コンソーシアムがフランスで建設中のはるかに大きなITERトカマク(ドーナツ型のチャンバー)に匹敵する核融合性能を達成することができるだろう。小型で高出力を実現するためには、超伝導磁石の進歩により、より強い磁場で高温のプラズマを閉じ込めることができるようになった。

SPARCプロジェクトは2018年初頭に発足し、その第一段階である、より小型の核融合システムの建設を可能にする超伝導磁石の開発に向けた作業が急ピッチで進んでいる。新しい論文のセットは、SPARCマシンの基礎となる物理学的基盤が、査読付き出版物の中で初めて詳細に概説されたことを表している。7 つの論文は,さらに洗練されなければならなかった物理学の特定の領域を探求している。また,マシンの設計の最終的な要素,発電所に向けて作業が進むにつれて関与するであろう操作手順やテストを特定するために、現在も継続的な研究が必要とされている。

また,SPARCの設計には,世界中の多くの実験で検証された計算やシミュレーションツールを使用したことも報告されている。著者らは、ITERの設計を支援するために開発された、強力なスーパーコンピュータ上で実行される最先端のシミュレーションを使用した。この新しい論文に代表される研究者の大規模な多機関チームは,SPARC マシンの設計に最高のコンセンサスツールをもたらし,SPARC マシンがその使命を達成するという確信を高めることを目的としている。

これまでに行われた分析では,SPARCトカマクの計画された核融合エネルギー出力は、余裕を持って設計仕様を満たすことができるはずであることが示されている。これは、核融合プラズマの効率を示す重要なパラメータであるQファクターが少なくとも 2 になるように設計されており、基本的には、反応を起こすために送り込まれるエネルギー量の 2 倍の核融合エネルギーが生成されることを意味している。これは、どのような種類の核融合プラズマでも、消費したエネルギーよりも多くのエネルギーを生成したのは初めてのことだ。

この時点での計算では、新しい論文によると、SPARCは実際にQ比が10以上になる可能性があることが示されている。

Covid-19パンデミックによって課せられた制限は、進歩を少し遅らせたが、それほどではない、と彼は言う。エネルギーと燃料をデバイスに送り込む最良の方法、電源を取り出す方法、突然の熱や電力の過渡現象への対処、マシンの動作を監視するための主要なパラメータをどのように、どこで測定するかなど、細かな部分の多くは、まだマシンの設計に取り組んでいるところという。

コモンウェルス・フュージョン社は、数億ドルの投資資金を背景に、研究機関と協力して核融合発電の開発と商業化に取り組んでいる数多くの企業の一つに過ぎない。

例えば、南カリフォルニアに拠点を置くTAE Technologies社は、2つのプラズマ雲を互いに発射して核融合を発生させるリニア装置を使用した設計に取り組んでいる。イギリスのオックスフォード大学のスピンオフであるファースト・ライト・フュージョン社は、エネルギーを使って核融合燃料を圧縮・崩壊させている。

Image Credit: SPARC / MIT