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

星の力

原子力は多くの人々に悪い評判があります。チェルノブイリや福島のような事故がその評判を汚したことは、一部正当な理由です。

一方で、原子を分裂させること以外は原始的で非効率的なエネルギー生成方法だと考える人もいます。彼らはまた、原子力が提供できる低炭素排出と極めて安定したベースロード電力を指摘しています。

核エネルギーは私たちの将来のエネルギーミックスの一部になる可能性が高く、特に第4^世代の原子炉が稼働し始めることで、よりクリーンで安全かつ効率的になるでしょう。

しかし、これらの原子炉はすべて核分裂という概念に依存しています。ウラン、トリウム、プルトニウムなどの非常に重い原子を取り、軽い元素に分裂する際にエネルギーを得ます。

核エネルギーの別の形態は核融合です。非常に軽い元素を取り、それらを融合させて重い元素にすることに依存しています。

核融合は文字通り宇宙を駆動するもので、すべての星は巨大な核融合炉です。太陽は毎秒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70,000年ごとに地球全体の質量に相当する量の水素を消費していることを意味します。

面白いことに、太陽エネルギー（風力、バイオマス、最終的には化石燃料さえも）は、実際には太陽からの核融合エネルギーに余分な工程を加えたものに過ぎません。

したがって、地球上でこれを少量でも再現できれば、実質的に無限のエネルギー供給が可能になります。ウランやトリウムが比較的希少であるのに対し、水素は宇宙に存在する全物質の74％を占めています。

核分裂 vs 核融合

天然ガスや石油などの分子を燃焼させると、分子の化学結合に含まれるエネルギーが放出されます。これはかなり高いエネルギーですが、原子自体に含まれるエネルギーの範囲には遠く及びません。

このため、1kgのウランは270万kgの石炭と同等のエネルギーを含んでいます。水素が融合すると、さらに強力です。

核エネルギーについて議論する際、融合と分裂の両方からエネルギーを得られる理由が混乱を招くことがあります。

その理由は、原子核に含まれるエネルギーは元素の質量に応じて変わるからです。重い元素の核は中程度の元素よりも多くのエネルギーを含んでおり、分裂するとそのエネルギーの一部が熱と放射線として放出されます。この熱を原子力発電所で電力に変換します。

しかし、非常に軽い元素はさらにエネルギーが高いです。したがって、これらを中程度の元素に融合させると、さらに多くのエネルギーが放出されます。

出典: Nature

その結果、核融合は原子を分裂させるよりも3〜10倍のエネルギーを生成できます。

最も軽い元素である水素の極端な豊富さと組み合わせることで、理論上、核融合は宇宙全体の物質総量だけが制限要因となる無限の電力源となります。

太陽系内でも、ガス巨星や彗星帯は非常に多くの水素を含み、地球全体の質量をはるかに上回ります。

現実的には、現在のエネルギー消費の1,000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。

さらに、 水素融合の生成物であるヘリウムは無毒で軽く、化学的に不活性なガスです。したがって、プロセス終了後に処理すべき有害な核廃棄物はありません。

核融合は難しい

なぜまだ核融合で人類文明を動かすことができていないのでしょうか？

実際、核融合は実現が難しいのです。水素原子の核は正の電荷を持ち、自然に互いに反発します。そのため、融合のために十分に近づけることは、2つの超強力磁石が互いに反発し合うように非常に困難です。

自然界では、星全体の圧倒的な重力だけが水素原子を十分に近づけて融合を引き起こすことができます。木星のように大きな天体でも、まだ「小さすぎて」実現できません。

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。

しかしながら、1950年代に融合装置によって初めて実現されました。これらの装置は融合の実現可能性を示しましたが、融合を起こすために使用したエネルギーに比べ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達成されましたが、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問題は、核融合プラズマが極めて高温で、通常は1億度以上になることです。そのため、完璧に閉じ込めなければ反応炉が溶けてしまいます。

これらすべての課題があるため、核融合は進展が遅い分野であり、皮肉的に「核融合は常に30年先の未来だ」と言われています。

重力の代替

核融合反応を起こすために使用したエネルギーに対して、融合から得られるエネルギーが十分でないという問題は、この分野で繰り返し指摘されています。核融合は非常に困難であるため、たとえ数個の水素原子を圧縮するだけでも膨大なエネルギーが必要です。

これまでにいくつかの方法が提案されています。

それぞれが「機能する」ことが実証されており、水素や他の軽元素を重い元素に融合させエネルギーを放出させます。

トカマク

核融合炉は磁場でドーナツ形状の空間を作り、核融合プラズマを閉じ込めます。

これは現在、商業核融合炉へ最適化できる可能性が最も高いと考えられている設計の一つです。最初のトカマクは1958年に建設され、ITER（国際熱核実験炉）の基本概念となっています。ITERは商業核融合開発の最大規模の研究プロジェクトで、ほぼすべての先進国が参加しています。

出典: DOE

しかし、ITERは多くの遅延がある問題の多いプロジェクトです。最近、エネルギー生成反応が2039年以前に起こらない可能性があると発表されました。

その他の磁石型核融合炉

トカマク以外にも、磁石でプラズマを圧縮・閉じ込める設計があります。これにはステラレータ、スフェロマク、コンパクトトーラスが含まれます。

ステラレータでは、ドーナツ形状が不規則/ねじれています。理論的には、融合反応の持続時間が長くなり、プラズマがより安定すると考えられますが、実際には構築が非常に困難で、トカマクよりも難しいとされています。この追加の複雑さにより、コンピュータ上でのモデル化も非常に困難となり、予測が難しく、建設コストも高くなります。

スフェロマクはトカマクに似ていますが、磁場の誘導方法がやや異なります。

コンパクトトーラスは、トーラス（ドーナツ形状）の中心に磁石コイルを設けずに融合を試み、複雑な磁石の必要性を減らします。

レーザー

磁石で水素原子を圧縮する代わりに、レーザーを使用する別のアプローチでは、原子を非常に高温にして衝突させ、瞬時に衝撃波を生成して水素原子を押し合せます。

良い例が米国のNational Ignition Facility（NIF）で、192本の強力なレーザービームを鉛筆の消しゴム大のターゲットに誘導、増幅、反射、集光します。これにより、1点で500兆ワットのピークパワーが供給されます。

出典: Britannica

これは、将来的に実用的な商業核融合を実現する可能性があると考えられているもう一つの主要設計です。

磁石ベースの融合は複雑な数学と超伝導体材料科学に苦しんでいます。レーザー誘起融合はエネルギー供給の適切さと、燃料を十分に密度・均一に保つことに課題があります。

電気的プッシュ

人工的に核融合を実現する最後の可能な方法は、電流を使用して磁場を生成し、プラズマをより強く圧縮する、あるいは磁化ターゲット融合（MTF）です。

その一例がZピンチで、別の方法としては空気圧シリンダとプラズマ注入があります。粒子加速器でも同様の原理が実現できるかもしれません。

出典: IEEE

一般的に、これらの設計はトカマクやレーザー型核融合よりもはるかにコンパクトです。

特に、General Fusion (GFUZ ) やHelionなどの民間核融合企業が好むアプローチです。

商業核融合へのステップ

収率

上記で説明したように、核融合は依然として実験的な分野であり、商業的に実用可能な設計への明確な道はまだありません。

全体として、核融合炉の収率は向上しており、融合を起こすために注入したエネルギーからより多くの融合エネルギーを得られるようになっています。

2022年、米国National Ignition Facilityの研究者は「投入したエネルギーよりも多くのエネルギーを生成した反応を作り出した」と発表しました。

実際、この主張はやや誤解を招きます。レーザー駆動設計は確かに2.05メガジュールのエネルギーを供給し、融合により3メガジュールのエネルギーを生成しました。

しかし、2.05メガジュールのレーザーを作るために、322メガジュールに相当する電力が消費されたという事実を無視しています。したがって、実際には総エネルギー回収はまだ100倍ほど不足しており、このモデルで「実質的」な正のリターンとは言えません。さらに、生成された熱のすべてが電力に変換できるわけではないため、実際の効率はさらに低くなります。

それでも、これは重要なマイルストーンであり、印象的な成果です。

プラズマの安定性と反応時間

重要な点は、自己持続的な核融合反応の状況を評価することです。すなわち、以前のエネルギー放出がさらなる融合を引き起こすのに十分であることです。最近まで、核融合反応はせいぜい数十秒しか続きませんでした。将来の商業的に実用可能な炉では、より安定したプラズマにより、反応が数十分、さらには数時間続く可能性があります。

これは多くの予想よりも近いかもしれません。フランスのWEST（定常トカマクにおけるタングステン（W）環境）装置が実現した、6分間にわたる核融合の新記録です。

これは、タングステンなどの先進材料の革新的な使用が、従来の核融合炉設計に対する大幅な改善への道を開く可能性を示しています。この分野のタングステンと投資機会については、当社の記事「タングステン – 秘密のハイテク金属」をご覧ください。

安価な超伝導体

このステップは特に磁石ベースの核融合炉設計で必要ですが、他の設計でも同様です。なぜなら、電力レベルが高く、システムのどこかで超伝導体材料が必要になるからです。

幸いにも、より優れた超伝導体、さらには常温超伝導技術が急速に進展しています。その詳細は当社の記事「超伝導の進歩が新たな技術革命への道を開く」をご覧ください。

AI

プラズマは極めて複雑な物質状態で、他の3つ（固体、液体、気体）とは大きく異なります。非常に高温で、全体としてすぐに不安定になります。

不安定なプラズマは反応炉内で長く閉じ込められず、核融合プロセスが中断されがちです。

これを補うために、原子炉の磁石はプラズマを常に安定させようとし、磁場をリアルタイムで調整します。これに伴う数学は非常に複雑で、スーパーコンピュータでも処理が困難です。特に、反応炉の磁石に正しい反応を指示するために高速で計算する必要がある場合はなおさらです。

AIの進歩により、これが変わる可能性があります。そこでは、AIがプラズマの不安定性の発生を最大300ミリ秒前に予測できるようになったことを説明しました。

「不安定性が発生するのを待ち、プラズマが乱れる前に迅速に是正措置を取る必要がなくなりました。」

安全性

核融合は本質的に核分裂よりもはるかに安全です。プラズマが膨張すると融合反応は自動的に停止するため、暴走連鎖反応のリスクは全くありません。

しかし、大規模な電源になる前に、核融合は依然としていくつかの安全課題に対処する必要があります：

• 多くの炉設計はトリチウムを使用しています。トリチウム融合は重水素-重水素融合よりも起動が容易ですが、トリチウムは放射性であるため、炉の故障が（小規模な）放射性汚染につながる可能性があります。
• プラズマの不安定性と高エネルギー物理は固有のリスクを伴います。連続的に電力を生産する運転中にオペレーターの安全と炉の損傷防止を確保するには、適切な安全手順と設計の最適化が必要です。
• 核融合は時折中性子を生成し、これが徐々に炉壁を放射性廃棄物に変えます。量は最小限ですが、これらの廃棄物は部品や炉全体の寿命が尽きた際に適切に処理する必要があります。

関連トピック

宇宙核融合推進

現在、核融合は主に地球上での発電可能性を追求していますが、核融合をマスターすれば、宇宙探査や植民にも大きな恩恵がもたらされます。

燃料質量に対する非常に高い効率と極めて高温であることから、核融合炉は深宇宙推進システムに最適です。

理論上、化学エンジンや核分裂エンジンに比べて燃料要求が低く、乗組員の安全性が向上し、非常に高速な加速と移動時間を実現できます。さらに、宇宙における水素の容易な入手と豊富さは追加の利点です。

実際には、設計を地上でマスターした後でも、宇宙船に搭載できるほど小型で軽量な核融合炉を作ることは困難かもしれません。

核融合が商業的に実用化すれば、宇宙ベースの経済（当記事で融合あり・なしで議論）を完全に革命的に変え、人類を瞬時に宇宙航行種へと変えるでしょう。

低温核融合

低温核融合は議論の多いテーマです。概念的には、低温でプラズマなしに核融合を実現できるという考えです。

提案された方法は、形状変化する材料を使用して水素原子を捕捉し、融合させることです。パラジウム、エルビウム、チタンなどの水素浸透金属がこの目的で提案されています。

1989年、スタンリー・ポンズとマーティン・フライシュマンの研究者はそのような融合を達成したと主張しました。残念ながら、科学界が結果を再現しようとした数年は失敗に終わり、低品質な科学や明白な詐欺の疑いが持ち上がっています。

この論争は概念のイメージを永続的に損なうでしょう。それでも、少数の科学者が引き続き研究しており、通常は低エネルギー核反応（LENR）、凝縮物質核科学（CMNS）、または化学的支援核反応（CANR）と呼ばれています。

2020年代にこの分野への関心が再燃し、真面目でない研究の汚名を払拭しようとしています。特に、米国政府機関ARPA‑Eは2023年に、NASA研究者が2020年に達成した興味深い結果に続き、低エネルギー核反応（LENR）を研究するグループに対し数件の助成金を発表しました。

低温核融合は現在非常に不確実で投機的です。しかし、真剣で十分に資金提供された研究が復活すれば、状況が明らかになり、核融合達成への実行可能な道となり得るかが判断できるでしょう。

バブル核融合

別の考えとして、バブルが崩壊する際に核融合が起こる可能性があります。例えば、超音波を加えると水中にバブルが形成され、これをソノフュージョンと呼ぶこともあります。

理論的には、液体中のバブル崩壊によって生じる衝撃波は、レーザーによる衝撃波と同様に融合を引き起こすほど強力になる可能性があります。これは、バブルが崩壊した際に光が放出される現象（ソノルミネッセンス）を説明できるかもしれません。

この考えは低温核融合と同様に議論を呼び、主要な推進者は広く批判されています。

しかし、この考えは過去20年の論争が示すほど死んでいるわけではないかもしれません。

2024年5月、超権威的な学術誌Natureに掲載された「重水素化チタン粉末の音響キャビテーション中の中性子放出の観測」という論文は、重水とチタン粒子が混合したバブルで潜在的な核融合事象が検出されたと主張しました。

我々は数時間にわたり中性子生成を維持し、様々な条件下で実験を複数回繰り返すことができました。観測された中性子は、衝突するキャビテーションジェットの機械的作用により、チタン格子に溶解した重水素イオンの核融合から生じたと仮定しています。

チタン格子（低温核融合のような）とキャビテーション（バブル）の組み合わせは非常に興味深く、権威ある査読付きジャーナルでの掲載はこの分野への関心を再燃させる可能性があり、「コールドバブル核融合」は予期せぬ科学的ブレークスルーとなり得ます。

民間セクターの参入

その始まり以来、プラズマ物理学と核融合の分野は主に公的資金による政府研究によって推進されてきました。

これは理にかなっています。例えば、米国のNational Ignition Facilityは核融合の探求よりも核兵器実験の代替として最初に開発されたほど、核兵器開発プログラムに非常に有用だったからです。

直接的な商業応用がない科学分野であるため、核融合への資金は主に公共および学術部門から提供されてきました。

しかし、3つの要因が重なり合うことで状況は変わりつつあります：

1. 数十年にわたる経験が蓄積され、自由にアクセスできる知識と商業企業で働くことができる訓練された科学者が多数生まれました。
2. 核融合はかつてないほど商業的に実現に近づいており、投資家の熱意が高まっています。「ムーンショット」的投資が今や一般的で、核融合は小惑星採掘とともに、エネルギーと原材料の不足問題を永続的に解決する究極のムーンショットとなり得ます。
3. 気候変動、地政学、資源枯渇がすべて収束し、豊富なカーボンニュートラルエネルギー源への需要が高まっています。

そのため、現在は民間企業が核融合への新たな波を牽引しており、第一原理から炉設計を見直し、新手法を探求し、SpaceX (SPCX ) が宇宙飛行で達成したような（かつて不可能と考えられたロケット再利用など）成果を核融合分野でも再現しようとしています。

核融合企業

現在、核融合を商業的に実用化しようとする企業は上場していません。これにはHelion、General Fusion、Commonwealth Fusion、TEA Technologies、ZAP Energy、NEO Fusionが含まれます。Dealroomの専用ページで核融合分野のスタートアップの包括的リストを確認できます。

1. General Fusion

General Fusionは、核融合を公的資金の物理プロジェクトではなく、民間ベンチャーとして推進するスタートアップの一つです。

同社は2002年に設立され、磁化ターゲット融合（MTF）技術の開発を目指しました。

MTFは、エネルギー正味プラスの融合への短い道筋であり、コストも大幅に削減できると同社は期待しています。General Fusionは2010年に世界で初めて発電所規模のコンパクトトーラスプラズマインジェクターを構築・稼働させ、以降も多くのマイルストーンを達成しています。

出典: General Fusion

同社は2025年に1億度の融合温度を達成し、2026年にはエネルギー収支がプラスになる（エネルギーブレークイーブン）ことを目指しています。その前に、2023年に1/5スケールモデルが製作され、性能はコンピュータモデルの予測と一致しました。

全体として、General Fusionは最終設計のコア技術を段階的に構築するのに20年を費やし、各段階でテストを行い、少なくとも現在までに概念の実証に成功しています。

民間企業であるため、ITERのような国際プロジェクトとは異なり、設計変更について議論や交渉を行う必要がなく、技術は独自の価値で選択でき、政治的理由に関係なく特定の国が契約を得るかどうかを決める必要もありません。

出典: General Fusion

このため、多くの人がGeneral Fusionとその競合他社が大規模政府プロジェクトが実現できないことを成し遂げると期待しています。

2. Lockheed Martin Corporation

民間上場スタートアップが支配的な分野における顕著な例外は、防衛産業の大手である上場企業Lockheed Martin Corporation (LMT ) です。

Lockheedは2010年代初頭からコンパクト核融合に取り組んでおり、2020年代に完成すると期待していましたが、2021年にプロジェクトが中止されたと発表されました。

同社は最初に大々的に発表した後、このプロジェクトについて非常に慎重に扱っており、現在でも何がこのアイデアの放棄を促したのかは不明です。

同時に、完全に概念を放棄したわけではなく、2024年に核融合エンジンを開発するスタートアップHelicityへの投資が特に注目されています。

このアイデアは、短時間の核融合バーストで宇宙船を推進することです。HelicityはGeneral Fusionと同様にプラズマガンを使用する計画です。

潜在的には、Lockheed内部の結果は、同社の設計がエネルギー生産に適合する形で融合を持続できないことを示しています。

しかし、同時に短時間のバーストが宇宙での推進に十分であり、実際の製品化に近づいている可能性があります。また、同社の航空宇宙・防衛中心のプロファイルにも合致します。

3. TAE Technologies

かつてTri Alpha Energyとして知られていたカリフォルニア拠点の企業で、核融合エネルギー技術の開発に注力しています。TAE Technologiesは現在、融合プラットフォームNormanを第6世代機Copernicusへとアップグレードしています。

出典: TAE

TAEの技術は、粒子加速器でプラズマにエネルギーを注入し、「管理しやすくする増粘剤」として機能します。

同社はCopernicusの製造に3Dプリンティングを広範に活用し、新部品の迅速な反復と問題解決を可能にしています。例えば、従来の製造方法の半分の重量でいくつかの炉部品を印刷しました。

出典: TAE

すべてが順調に進めば、同社は2030年代初頭に電網に接続可能な最初のプロトタイプ発電所を建設し、10年を通じて「堅牢で信頼性の高い」商業電力へと規模拡大する予定です。CEOのミヒル・ビンダーバウアーによれば、核融合は「豊富さのパラダイム」へと人類を導くでしょう。

過去25年間、同社は「マイルストーンごとの資金」モデルで運営しており、各資金調達は投資家に約束したマイルストーンの達成に基づいて行われます。

2022年、GoogleとChevron (CVX ) は同社の2億5,000万ドルの資金調達の一環としてTAE Technologiesに投資しました。Googleは実際に10年間TAEと提携し、AIと計算能力を提供しています。

同社はまた、ライフサイエンスサービス（ホウ素中性子捕獲療法 – BNCT）やバッテリー・eモビリティなどの電力ソリューションも提供しています。

4. Helion

Helionは、一般的にトリチウム融合に焦点を当てるのではなく、重水素とヘリウム-3で融合を実現することを目指しています。

通常、ヘリウム-3は非常に入手が困難です。しかし、Helionは自社の炉で重水素からヘリウム-3を生成する方法を持っています。そうでなければ、月での未検証の採掘などの代替手段が必要になるでしょう。

核融合の多くの民間ベンチャーと同様に、Helionはプラズマ注入技術を使用しています。

もう一つの独自の特徴は、ファラデーの法則を利用してプラズマから直接電流を誘導し、原子力発電所で一般的な蒸気加熱サイクルを省くことで直接電力を回収することです。

この手法は大胆ですが、熱→蒸気→電力への変換効率が低いため、将来の発電所の収率を2〜3倍に向上させる可能性があります。また、設備投資が非常に大きい手順でもあります。

Helionの核融合発電所は燃料コストがほぼ無視でき、運転コストが低く、稼働率が高く、資本コストも競争力があると予測されています。我々の装置は非常に効率的に融合を行い、大型蒸気タービンや冷却塔、従来の核融合アプローチに必要なその他の高価な設備を必要としないため、資本装置のコストがはるかに低く抑えられます。

Helionは現在、6世代目のリアクターTrentaを運用しており、10,000回以上のパルスと1億度の温度を達成しています。

出典: Helion

現在、Helionは次世代モデルPolarisへ移行中で、Trentaの100倍の速度で推進することが期待されており、電力の正味収支が初めてプラスになる核融合となります。

Polarisは全長19メートルで、他の従来型核融合炉と比べて巨大な設置物ではありません。