ゼオライトが核融合のトリチウム不足を解決できる方法
By Jonathan Schramm 核融合は、非常に軽い元素を取り込み、より重い元素に融合させるもので、理論上はエネルギーを生成する根本的に優れた方法です。核分裂のように重い元素を使用したり放射性廃棄物を生成したりせず、太陽光や風力といった再生可能エネルギーよりもはるかに安定し予測可能です。核融合は文字通り宇宙を動かす力であり、すべての星は巨大な核融合炉です。毎秒、太陽は6億トンの水素を消費しています。参考までに、これは太陽が地球全体の質量に相当する水素を70,000年ごとに消費していることを意味します。したがって、地球上でこれをほんの少しでも再現できれば、実質的に無限のエネルギー供給が可能になります。ウランやトリウムのように比較的希少なものとは異なり、水素は宇宙に存在する全物質の74%を占めています。現実的に見ても、現在のエネルギー消費の1000倍を使用する人類文明でさえ、燃料が尽きることはありません。すべての核融合方式が同等ではないしかし、核融合を実行する方法は多数あり、使用する水素の同位体によって異なります。同位体は原子内の中性子数で区別されます: 中性子を持たない水素はプロトムと呼ばれます。 中性子が1つの水素は重水素（デューテリウム）と呼ばれます。 中性子が2つの水素はトリチウムと呼ばれます。 例えば、燃料供給が主な懸念である場合、重水素‑重水素融合が最適な選択肢です。重水素は全水素の0.025%を占め、地球資源から比較的容易に分離でき（「重水」を生成する）ためです。残念ながら、重水素‑重水素融合は約4億〜5億°C（約7億2000万〜9億°F）というはるかに高温が必要で、将来の商業用核融合炉で効率的に実行するのは困難です。対照的に、重水素‑トリチウム融合は約1億〜1.5億°Cで済むため、将来的に正味エネルギーを生み出す核融合を実現する主流の研究対象となっています。このため、重水素‑トリチウム融合はITERなどの主要な国際プロジェクトや多くの民間核融合企業General Fusionなどで選択されています。これらの計画における問題点の一つは、トリチウムが水素の中で最も希少な同位体であることです。宇宙線によって自然に少量生成されるものの、商業的な生産は主に核分裂炉内でリチウム‑6に中性子を照射するか、CANDU型の重水減速炉などで重水素が中性子を吸収する副産物として行われます。トリチウムは半減期がわずか12年であるため、速やかに減衰します。現在、世界の生産量は年間わずか2キログラム（4.4ポンド）で、軍事以外のトリチウムの全在庫はわずか20〜30キログラムです。これは問題です。なぜなら、商業用の1,000MW核融合発電所は稼働するために年間55キログラム以上のトリチウムを必要とするからです。生産量の増加は、核融合が生成した中性子の一部を捕捉してトリチウム燃料を自ら生成する、融合増殖ブランケット技術によって実現される可能性が高いです。しかし、核融合反応が一度実行される際に消費される燃料は約2%に過ぎず、そのため同位体分離による継続的なリサイクルが必要です。現在の分離方法は、年間数百キロ、あるいは数トン規模のトリチウムを生成・濾過・精製し、再注入する商業環境で十分に効率的または低コストではない可能性があります。ドイツのHelmholtz-Zentrum Dresden‑Rossendorf とマックス・プランク固体研究所の研究者による最近の研究では、合成アルミノシリケート分子ふるいであるゼオライトYを用いた新しいトリチウム分離法が提案されています。彼らはこの成果をNature Communications1に掲載し、タイトルは「ガス状 1,2,3H 同位体混合物からのトリチウム分離：銀置換ゼオライトYによる選択吸着」となっています。核融合炉用トリチウムの精製新しいトリチウム分離方法の探索低温蒸留は水素と重水素という安定同位体を分離する確立された手法です。しかし、この技術は核融合炉で予想される幅広い組成には適していません。代替案として、本研究のように金属有機骨格体（MOF）やゼオライトなどの微細孔材料を使用する方法があります。この方法は二つのメカニズムに依存します: 動的量子篩（KQS）で、異なる同位体の有効粒子サイズの違いにより重い同位体が優先的に吸着されます。 化学親和性量子篩（CAQS）で、異なる同位体が異なる吸着エンタルピーを示し、結合反応が異なります。 これまで、分離係数は主に理論的に予測されてきました。トリチウム分離においては、元素の強い放射能のため、微細孔材料の構造安定性が特に重要です。これが研究者がゼオライトに注目した理由です。ゼオライトとトリチウム本研究で使用された材料はゼオライトY型です。ファウジャサイト鉱物族に属し、ナトリウム、マグネシウム、カルシウムの含有量が変動するアルミノシリケート鉱物です。さまざまな放射線量下でも構造的耐性とトリチウム耐性を示しています。この場合、核融合炉で生成されるような水素混合物中でトリチウムが吸着される部位として銀原子を添加しました。材料のトリチウム吸着ポテンシャルを測定するため、温度上昇に伴い対象分子が徐々に放出される熱脱着分光法（TDS）を使用しました。この研究は、トリチウムを含む水素同位体混合物に対する予測された分離係数を実験的に示しました。重要なのは、システムがプロトム（“基本”水素）を一切生成せず、ほぼ純粋な重水素‑トリチウム混合物が得られたことです。さらに、異なる同位体を用いた水素原子がH2分子に混入することはほとんど無視できるレベルでした。これは重要で、混入レベルが高すぎると後の精製が非常に困難になる可能性があるからです。“すべてのガス混合物において、同位体交換による異核同位体（HD、HT、DT）の生成は、吸着総量に比べてごくわずかであることが判明した”信頼できる方法研究者は銀原子が放射線、特にベータ線の影響を受けるかどうかも確認しました。4時間の照射後、脱着スペクトルに有意な変化は検出されませんでした。全体として、ゼオライト格子内のイオン化程度が銀イオンへの電子移動に十分でないことを示唆しています。本研究のもう一つの重要な進展は、必要な温度が比較的安価でシンプルな液体窒素で達成できる点です。対照的に、従来の低温蒸留は絶対零度に近い温度が必要で、コストが高くエネルギー消費も大きいです。核融合炉が正味エネルギー生産に近づくにつれ、少エネルギーで済む工程は全体プロセスをエネルギー正味で商業的に実現可能にする助けとなります。同様に、使用されるゼオライトの放射線耐性は、同じ吸着材を数週間、数か月、あるいは数年にわたって繰り返し使用し、修理や交換が不要な将来の常用にとって重要です。核融合への投資General Fusion2026年7月13日th、General FusionはIPOを実施した最初の核融合企業となり、競合でトランプ支援のTAE Technologies を数か月早く, 自社のIPOより先に。総額で、General FusionはIPO時に民間投資家から1億800万ドルを調達しました。IPO後、同社は約1億5000万ドルの現金を保有していると述べています。長年にわたり、民間投資家から6億ドル以上を調達しています。General Fusionは、核融合を公的資金の物理プロジェクトではなく民間セクターのベンチャーにする先駆けとなっているスタートアップの一つです。同社は2002年に磁化ターゲット融合（MTF）技術の開発を目的として設立されました。同社はMTFがエネルギー正味プラスの融合へのより短い道筋であり、コストも大幅に低減できると期待しています。General Fusionは2010年に世界で初めて発電所規模のコンパクトトロイドプラズマインジェクタを構築・稼働させ、それ以来多数のマイルストーンを達成しています。理論的には、General Fusionの技術選択は、融合条件を維持するためのエネルギー閉じ込め時間とプラズマ密度のバランスが取れた妥協点を提供するため、優位性をもたらすはずです。これらの指標は、主要な競合技術（慣性閉じ込めと磁気閉じ込め）では極端な方向に向かう傾向があり、信頼性と低コストでの実現がより困難になります。これにより、General Fusionは超伝導磁石や高出力レーザーを回避でき、既存の材料を用いた耐久性のある装置とコスト効果の高いエネルギー生産が可能になります。従業員はわずか133人で、General Fusionは研究開発と技術に特化したスタートアップとして、20万件以上のプラズマ実験と210件の特許を保有しています。同社は2020年代末までに商用システムと部品の検証を目指し、2030年代中頃に商用プラントの販売を開始する計画です。投資家にとって、General Fusionの魅力は、Helion、Proxima Fusion、Commonwealth...
