メガプロジェクト

ITER: 地球上にミニチュア太陽を作る

公開日 2025年1月31日

更新日 2026年5月30日

著者

Jonathan Schramm

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ITER、核融合への道

ITERはInternational Thermonuclear Experimental Reactor（国際熱核実験炉）の頭字語であり、ラテン語で「道」を意味します。核融合エネルギーの実用化を目指す世界最大規模の取り組みです。

ITERは7つの参加者:欧州連合（27カ国）、中国、インド、日本、ロシア、韓国、米国によって資金提供・運営されています。また、オーストラリア、カナダ、カザフスタン、タイとも協力協定を結んでいます。

英国はEU加盟時にプログラムに参加していましたが、2023年に参加を中止しました。

出典: SciTech Daily

理論上、ITERは商業核融合のプロトタイプ兼実証実験装置となり、人類に事実上無限で安価なエネルギーをもたらす可能性があります。

これにより、砂漠の緑化やCO2排出削減、宇宙文明への移行といった課題がほぼ自明なものとなります。

したがって、成果が出るまで時間はかかるかもしれませんが、その潜在的インパクトは極めて大きく、史上最も重要なメガプロジェクトの一つとして記憶されるでしょう。

核融合

無限のエネルギー

核融合は、従来の核エネルギー（核分裂）とは異なり、非常に軽い元素を利用します。ウランのような重い原子を分裂させるのではなく、主に水素といった軽い原子を融合させます。

理論上、宇宙で最も一般的な物質である水素を利用するため、核融合は無限のエネルギー源となり得ます。

このプロセスは膨大なエネルギーを生成し、核分裂の3〜10倍のエネルギーを生み出し、星々を駆動するエネルギー源でもあります。

出典: Nature

1グラムの重水素-三重水素燃料混合物が核融合で生成するエネルギーは、11トンの石炭に相当します。人の一生に必要なエネルギーは、手のひらに収まる小さな燃料ボトルだけで賄えるかもしれません。

核融合の利点

核融合は大量のエネルギーを供給するだけでなく、他のどのエネルギー源も持たないいくつかの重要な利点があります:

重水素は地球の海洋や表層水に非常に豊富に存在し、実質的に無限であり、すべての国が平等に利用可能です。
核反応は放射性廃棄物を生成せず、化学的に無害なヘリウムだけを生み出します。
- 反応によりCO2やその他の環境有害物質も生成されません。
濃縮ウランやプルトニウムなどの放射性物質を生成しないため、核融合は核拡散（核兵器級物質）のリスクを伴いません。
- これにより、核融合の導入は核分裂技術に課せられる制限のない中立的な技術となります。
メルトダウンや制御不能な連鎖反応のリスクはありません。むしろ反応は維持が極めて困難で、失敗すれば即座にプラズマが崩壊し、核反応とエネルギー生成が中断します。
自己持続的でエネルギー収支が大きくプラスであれば、核融合は核分裂型原子力発電所と同等かそれ以下の運転コストになると期待されています。
- 同一設計のリアクターを繰り返し建設することで技術進歩と規模の経済が進み、時間とともにコストが低減するはずです。

核融合は難しい

以上を踏まえて、なぜまだ人類文明を核融合で動かせていないのでしょうか？

実際、核融合は実現が非常に困難です。水素原子核は正の電荷を持ち、自然に反発し合います。そのため、2つの超強力磁石が互いに反発するように、融合に必要なほど近づけるのは極めて難しいのです。

自然界では、星全体の強大な重力が初めて水素原子を十分に近づけて融合を引き起こします。木星ほど大きな天体でも「まだ小さすぎ」ます。したがって、地球上で水素原子を近づけることは非常に、非常に困難です。

しかし、実現は可能であり、1950年代に初めて融合装置で達成されました。これらの装置は融合の実現可能性を示しましたが、投入エネルギーに対して十分なエネルギーを回収できませんでした。

(技術的には、1952年に最初の熱核兵器で大規模核融合が実現しましたが、これは安全な電力供給を作る実用的な手法とは言えません)

核融合のもう一つの課題は、プラズマが極めて高温（通常は1億度以上）であることです。そのため、完全に閉じ込めなければ反応炉が溶けてしまいます。

これらの問題が解決されていないため、核融合は進展が遅く、皮肉なコメントとして核融合は常に30年先の未来だと言われています。

地球上で核融合を実現する

科学者たちは長年にわたり実験炉で核融合を実現してきました。主に2つの設計が使用されています:

レーザーに依存する、大量のエネルギーを集中させて微小な水素ペレットに衝突させ、融合を引き起こします。
もう一つはトカマクと呼ばれるドーナツ形状の装置と超強力磁石を用いて、水素を自己点火プラズマに閉じ込め圧縮します。

核融合の問題は、数千万度という条件を作り出すのに膨大なエネルギーが必要なことです。そのため、実現できても融合反応は十分なエネルギーを回収できず、エネルギーの純消費装置となります。

プラズマは非常に不安定であり、数秒以上融合反応を維持することは困難です。

最初のトカマクは1958年に建設され、数分、理想的には数時間にわたり融合を維持し、正のエネルギー収支を実現できる最有力な設計と考えられています。

出典: DOE

ITERはトカマク設計で、これまでで最大規模の核融合炉となります。最大規模のJT‑60SA（日本）と比較してプラズマ体積は10倍の830立方メートル（29,000立方フィート）です。

出典: ITER

ITERタイムライン

ITERはInternational Tokamak Reactor（INTOR）の後継で、1978年に西側諸国・日本とソ連の協力で開始されたプロジェクトです。

冷戦最盛期でも協力は続きました。最初の目標は1992年に決定され、最初のエンジニアリング設計活動（EDA）は1998年に完了し、2001年に設計が検証されました。

最終設計や資金分担、建設場所に関する激しい議論がプロジェクトを遅延させ、2005年にフランスのカダラッシュが建設地として選定されました。

出典: Wikipedia

その間に、中国と韓国が2003年に、インドが2005年にプロジェクトに参加しました。初期建設は2007年に開始されました。

機械の組み立ては2020年に開始され、2020年5月に1,250トンのクライオスタット基礎が設置されました。サイトの土木工事は2023年に完了しました。

クライオスタットの閉鎖は2033年までに完了予定で、完全な磁気エネルギーは2036年に達成、重水素‑三重水素運転フェーズは2039年に開始される見込みです。

ITERの予算

ITERの当初予算は建設費用として「わずか」6億ユーロと想定されていましたが、科学メガプロジェクトでよくあるように、現在の見積もりは$25.2 十億、米国エネルギー省が別途推定したところDepartment of Energy は約$65Bとし、ITERはこれを強く否定していますにまで膨らんでいます。

このプロジェクトはこれまでに34,000「雇用年」を創出し、建設完了までにさらに74,000雇用年を生み出す見込みです。

ITERの目的

プラズマチャンバーが大きいほど、安定して正のエネルギー収支を得られる可能性が高まります。

しかし当然ながら、規模が大きくなるほど費用と複雑さも増大します。

ITERの明示された目標は、投入された熱入力の10倍の熱エネルギーを生成することです。融合パルスは最大8分間持続する予定です。

合わせると、わずか400〜6000秒で500MWの熱を生成することになります。温度は最大1億5千万℃、すなわち太陽のコア温度の10倍に達するはずです。

これらの成果を得るため、ITERは「燃焼プラズマ」と呼ばれる状態を実現しなければなりません。これは、プラズマが受け取るエネルギーの半分以上が融合反応から供給される（外部刺激からではない）状態です。燃焼プラズマは、エネルギー正味で商業核融合発電所にとって必須です。

ITERのエネルギー生成は電気に変換されません。これは技術実証装置であり、熱を電力に変換する技術は既にウランを使用した商業核分裂発電所で日常的に利用されています。

また、リアルな条件下で未検証の主要技術、例えば超伝導磁石、遠隔操作（ロボットによる保守）、中性子シールド、熱変換、そして三重水素生成（ブリーディング）概念（以下参照）をテストすることも目的です。

DEMO核融合炉

ITERの後にはDEMOクラスのリアクターが続き、ITER設計を再利用（実験フィードバックによる改良の可能性あり）し、これらが商業核融合発電所の第1世代を構成します。

DEMOリアクターは、300〜500メガワットの正味電力を発電し、電力網に供給することが期待されています。

中国: 中国融合工学試験炉（CFETR）の設計は2020年に完了し、2040年までに建設される予定です。
ヨーロッパ: DEMO発電所は2050年までに建設される予定です。このプロジェクトの前段階として、DEMO向け技術をテストするためのプラズマベースの体積中性子源（VNS）施設が建設されます。
日本: JA‑DEMOは2040年代‑2050年代に完成し、数百メガワットを超える安定した電力生成と、1500MW以上の融合出力を目指します。
韓国: K‑DEMOは2050年以降に建設され、その前にスーパーコンピューティング、人工知能、デジタルツイン技術に基づくバーチャルDEMO（V‑DEMO）が行われます。
ロシア: DEMO‑RFは2055年までに建設される予定です。核融合‑核分裂ハイブリッド施設の検討も進められています。
インド: 同国はまず200〜300MWの核融合パイロットプラントに注力し、その後DEMOリアクターを建設する予定です。
米国: 米国エネルギー省は、ITER以降の段階で民間企業と提携するなど、次のステップを検討中です。

三重水素ブリーディング

科学の最前線に位置するプロジェクトとして、実験的に実証すべき概念が多数あります。

重要な課題の一つは三重水素の生成です。ITERの設計は重水素と三重水素（どちらも水素の同位体）の融合に依存しています。

出典: Climate & Hope

重水素‑重水素融合は理想的ですが、重水素は自然に存在する元素であるため、必要温度がさらに高くなり、人工融合がより困難になります。

問題は三重水素が自然界に存在せず、原子力発電所で人工的に生産する必要があることです（世界で年間約20kg）。しかしITERは地球全体の三重水素生産量をすべて消費してしまいます。

いずれにせよ、将来の核融合リアクターはエネルギー生成に十分な三重水素を確保できず、各リアクターは年間100〜200kgを必要とします。

したがって、三重水素はリアクター内部で直接生成する必要があります。これが「三重水素ブリーディングブランケット」の役割です。

リチウムを含む600㎡の壁面カバーは、中性子が当たることでエネルギーを生成（将来の電力生産の基盤）し、同時にリチウム原子の分解により三重水素を生成する二重の役割を担います。

出典: C&EN

ベリリウムなどの中間元素は、中性子数を増やすことで、核融合反応ごとに少なくとも1つの三重水素が「再生成」されることを保証します。

合計で6種類の三重水素ブリーディングシステムがITERでテストされ、最適な材料構造、冷却システム、液体・固体リチウム、リチウム抽出方法などが検証されます。

ITERの設計

建物自体

ITERの工学で興味深い点は核融合に使用される先端技術ですが、建物自体も巨大で、ハイテク要素だけでなく、すべての支援構造、エネルギー供給、冷却システム、保守システムなどを備えています。

出典: ITER

ITERリアクター自体も巨大で、重量は23,000トンでエッフェル塔の3倍です。トカマクコンプレックスの下部基礎には合計400,000トンが載せられ、ニューヨークのエンパイア・ステート・ビルディングの重量を上回ります。

出典: ITER

これらを支えるため、トカマクコンプレックス建設の土木工事段階で約120,000立方メートルのコンクリートが使用され、現場に大型コンクリートプラントが設置され、ITERの建物や構造物の特定要件に合わせた多様なコンクリート配合が製造されました。

建物は耐震アイソレーターで構成され、核等級の鉄筋コンクリート構造で保護されています。

物流とインフラ

ITERプロジェクトのもう一つの「基本的」な課題は、世界中の専門研究機関で製造された大型部品を現場へ搬入する物流でした。

例えば、ITERトカマクの18本のD字形トロイダル磁場コイルはそれぞれ310トンで、輸送車両を含む最重部品は最大900トンに達します。そのため、航空輸送ではなく海上輸送が必要です。

その後、特別に改造された104km（64マイル）の道路で輸送されます。部品の中には長さ33メートル（108フィート）に及ぶものもあります。

設置には400kVの送電線延長と、オフィス、作業場、機器保管、快適性のための広範な施設が必要でした。

出典: ITER

建設自体は狭いスペースに収める必要があり、ITER機械と建物の組み立て用に100以上のカスタム装置が設計されました。

出典: ITER

トカマクの組み立て、その部品数は1,000,000を超え、プロジェクト自体が大規模でした。

超伝導磁石

ITER機械の中心部では、磁石にニオブ‑スズ（Nb3Sn）の超伝導線が使用されます。合計で100,000km（62,000マイル）の線が必要で、地球の赤道を2周できる量です。

出典: ITER

これには大規模な産業生産が必要でした。ITER規模拡大前のニオブ‑スズ線の世界生産は年間15トンに過ぎませんでしたが、中国、欧州、日本、韓国、ロシア、米国がそれを年間150トンに増産しました。

クライオプラントと冷却塔

超伝導磁石は極低温でのみ超伝導（電気抵抗なし）となります。絶対零度よりわずか4.5℃上の温度です。

したがって、ヘリウムと窒素を貯蔵し、これらを超低温液体に変換して冷却する、サッカー場サイズのクライオプラントが必要です。

出典: ITER

液体窒素は1日あたり50トンが液体ヘリウムプラントの予冷却に使用され、液体ヘリウムは磁石の冷却に用いられます。運転中には-269℃の液体ヘリウムが約25トン循環します。

磁石が超低温である必要がある一方、核融合は最大1150MWの熱負荷を生み出し、これを排熱する必要があります。これが冷却塔の役割です。

配管の腐食を最小限に抑え、水のpHを維持するために化学薬品が注入されます。オゾン発生装置がオゾンを継続的に注入し、有機物を分解し細菌の増殖を防止します。

磁石電力変換ビルディング

磁石を支える別のシステムとして、電力変換装置が送電網の交流電力を超伝導磁石が使用できる直流に変換します。

使用される電流の大きさのため、従来のケーブルでは磁石へ電力を供給できません。

代わりに、スチールジャケット付きアルミニウムバー（「バスバー」）が使用され、加圧水の常流で積極的に冷却されます。これは本質的に電源コードですが、鉄道レールよりも太くなっています。

出典: ITER

合計で5km（3.1マイル）の双極バスバーがITERコンプレックス内を走行します。

中性ビームインジェクタ

電源と磁石が稼働したら、ITERは融合反応を駆動する重水素を注入する必要があります。

ビームは電流で粒子を極めて高速に加速し、必要な50MWの入力電力のうち33MWを注入します。その後粒子を「中性化」し、磁場を通過させてプラズマにエネルギーを伝達します。

これには1MW以上の直流電圧が必要で、非常に例外的な規模です。カスタム部品が必要で、最先端技術を超える設計が求められ、11,700㎡（126,000平方フィート）の建物に収められます。

出典: ITER

この重要部品として、中性ビーム試験施設（NBTF）がイタリア・パドヴァに建設されました。これにより、ITERで使用される粒子ビームが従来の核融合実験よりもはるかに太いという技術的課題が解決される見込みです。

この規模でイオンを中性化することも困難であり、実際の結果はITERに設置する前にテストが必要です。

出典: ITER

サイクロトロン加熱

プラズマを加熱する他の熱源は電子サイクロトロン加熱システムとイオンサイクロトロン加熱システムです。これには電子サイクロトロン共鳴加熱（ECRH）とイオンサイクロトロン共鳴加熱（ICRH）が含まれます。

これらは高周波電磁波を利用してプラズマ中の粒子に共鳴効果を生み出し、遠隔から炉心へ電力／熱を伝達します。ECRHは170GHzの周波数で電子を共鳴させ、ICRHは40〜55GHzの周波数でプラズマ中のイオンを共鳴させます。

ITERの競合

ITERは非常に大規模なプロジェクトであり、初期設計に関わった多くの科学者は稼働を見る頃には存命でない可能性があります。

この野心はプロジェクトの制約にもなります。主に1990年代後半から2000年代初頭の融合技術設計に基づいており、前提や技術選択に限界があります。

それ以降、新たな核融合概念が登場し、いくつかの民間企業がはるかに小型の装置で核融合を実現しようと取り組んでいます。

このため、ITERを「時代遅れ」と批判する声もあります。ITERの国際的性格は官僚主義や政治が科学に干渉する要因とも指摘されています。

私たちは、記事「核融合 – 近い将来の究極のクリーンエネルギーソリューション」で、General Fusion (GFUZ ) 、TAE Technologies、Helion、Lockheed Martin Corporation (LMT ) など（主に非上場）の多くの核融合企業を取り上げ、トカマク以外の設計による核融合の可能性も議論しました。