地球上で無限に近いクリーンエネルギーを得る――それはかつてSFの中だけの夢でした。
しかし、今や科学者たちはその夢を現実にしようとしています。
核融合発電は、太陽が数十億年にわたって私たちに光と熱を提供してきたメカニズムを地上で再現する試みです。この技術が実用化されれば、温室効果ガスも放射性廃棄物もほとんど出さない、持続可能なエネルギー源として、人類のエネルギー問題を根本的に解決するかもしれません。
今回はそんなロマンにあふれた「核融合発電」について紹介します！
〇核融合発電とは？
核融合発電とは、原子核同士を高温高圧下で融合させ、その過程で発生する膨大なエネルギーを利用して電力を生み出す発電方法です。核融合は、太陽や星がエネルギーを生み出す際の基本原理であり、これを地球上で再現することで、持続可能で大量のエネルギーを得ようというものです。
〇核融合の仕組み
核融合は、軽い原子核、特に水素の同位体（重水素や三重水素）を高温高圧状態で衝突させることで、一つの重い原子核に融合させるプロセスです。この融合の際に質量の一部がエネルギーに変換され、膨大なエネルギーが放出されます（アインシュタインの有名な式E=mc²に従って）。核融合で主に研究されている反応は、重水素（D）と三重水素（T）の融合で、これによりヘリウムの原子核と中性子が生成され、大量のエネルギーが放出されます。
1. クリーンエネルギー
核融合発電は、環境に優しいクリーンエネルギーとして期待されています。具体的には以下の点で優れています。
二酸化炭素（CO₂）排出がほとんどない: 核融合発電は、燃料である重水素や三重水素が反応する過程で、温室効果ガスであるCO₂をほとんど排出しません。これにより、気候変動への悪影響が少なく、持続可能なエネルギー源として注目されています。
長寿命の放射性廃棄物が少ない: 核分裂（通常の原子力発電）では、長期間放射性を保つ廃棄物が生じ、その処理や保管に大きな課題があります。一方、核融合では放射性廃棄物は比較的短寿命で、管理がしやすいとされています。主な廃棄物は、反応で生じる中性子が周囲の構造材料を活性化することにより生まれますが、これも数十年～数百年程度で放射能が減少するため、長期にわたる処理問題は軽減されます。
安全性が高い: 核融合反応は非常に高温高圧の条件で起こりますが、反応が自然に進行し続けることはなく、条件が変わると即座に反応が止まります。これにより、核融合発電は「暴走」や「メルトダウン」（核分裂発電での事故のリスク）といった事故の可能性が低いとされています。
2. 燃料が豊富で入手が容易
核融合の燃料は、主に重水素（D）と三重水素（T）です。
重水素（D）: 重水素は水の中に含まれており、海水から簡単に取り出せます。海水には膨大な量の重水素が含まれているため、事実上無限に近い供給が可能です。1リットルの海水から取り出せる重水素で、核融合反応を起こせば、理論的には莫大なエネルギーを生み出すことができます。
三重水素（T）: 三重水素は自然界にはほとんど存在しませんが、核融合炉内部でリチウムと中性子を反応させることで生成できるため、持続的な燃料供給が可能です。また、三重水素は核分裂反応で使用されるウランやプルトニウムと異なり、希少性が低く、地政学的リスクも少ないです。
3. エネルギー効率が非常に高い
核融合反応は非常に高いエネルギー密度を持っています。具体的には、以下のような点が優れています。
小さな質量から膨大なエネルギー: 核融合では、ほんの少しの燃料（重水素や三重水素）から莫大なエネルギーを得ることができます。例えば、1グラムの重水素と三重水素の核融合反応で得られるエネルギーは、約8トンの石炭を燃やす際に得られるエネルギーに匹敵します。これは、核分裂（現在の原子力発電）や化石燃料を遥かに凌ぐ効率性を意味します。
燃料1グラムあたりのエネルギー生成量が高い: 核融合反応でのエネルギー生成量は、化石燃料や核分裂反応と比較しても非常に高く、わずかな燃料で大量の電力を発生させることができます。これにより、燃料供給や輸送のコストが低減され、長期的に経済性が高いと見込まれています。
4. 持続可能性
核融合発電は、地球上で持続可能なエネルギー源となる可能性があります。
資源の枯渇の心配がない: 先述の通り、核融合の主要燃料である重水素は海水から無限に近い量を供給でき、枯渇のリスクがありません。また、三重水素はリチウムから生成でき、リチウムも地球上に比較的豊富に存在しています。これにより、エネルギー供給が安定して続けられることが期待されています。
地政学的リスクが低い: 化石燃料に依存しないため、特定の国や地域にエネルギー資源を依存するリスクが少なく、地政学的な不安定要因を減らすことができます。
5. 安全性が非常に高い
核融合発電は、その技術的性質から安全性が非常に高いとされています。
暴走のリスクがない: 核融合反応は非常に高温高圧の条件でのみ維持されるため、制御が失われると反応が自動的に止まります。これにより、核分裂型原子力発電で懸念されるメルトダウンのような事故のリスクはほぼありません。
軍事転用が困難: 核融合で使用される材料は、核兵器の材料として転用するのが非常に困難です。これにより、軍事的なリスクが低く、国際的なエネルギー安全保障の観点からも優れています。
核融合発電のこれらの特徴とメリットから、地球規模でのエネルギー問題の解決策として非常に期待されています。ただし、商業化に向けた技術的課題もまだ多く、実用化には時間がかかるとされています。しかし、これが実現すれば、気候変動やエネルギー資源問題に対する強力な解決策となる可能性があります。
〇課題
核融合発電は、未来のエネルギー源として大きな期待を集めていますが、実用化にはまだ多くの技術的・経済的・運用的な課題が存在します。以下に、核融合発電が直面している主要な課題を詳細に説明します。
1. 超高温の制御とプラズマの安定化
核融合反応を起こすためには、原子核を高エネルギー状態で融合させる必要があります。具体的には、1億度以上という超高温が必要です。この温度では、物質は「プラズマ」という状態になり、原子核と電子が分離して運動しますが、このプラズマを安定して維持し、制御するのが極めて難しいです。
プラズマの閉じ込め: 核融合プラズマを長時間安定的に閉じ込めるためには、強力な磁場を使う「トカマク装置」や「ステラレーター」という技術が使われます。これらの装置は、プラズマを直接物質に触れさせないようにするために不可欠ですが、プラズマは非常に不安定で、磁場から逃げ出そうとします。この「プラズマの不安定性」を克服し、数秒から数分、さらには数時間以上にわたって安定させる技術がまだ確立されていません。
高温耐性の材料: 1億度という超高温のプラズマを制御できたとしても、その周囲の構造物が耐えられる材料が必要です。現在の技術では、炉壁をプラズマの高温から保護するための素材の開発がまだ十分ではありません。耐熱性や耐中性子性を備えた新しい材料の開発が急務です。
2. エネルギー収支の改善
核融合を発電に利用するには、融合反応によって生じるエネルギーが、反応を起こすために投入するエネルギーよりも多くなければなりません。これを「エネルギー収支」といいますが、現在の技術では、このエネルギー収支がプラスになるまでに至っていません。
点火条件の達成: 核融合に必要な温度と圧力を達成し、持続させるために、膨大なエネルギーを投入する必要があります。しかし、現時点では、実験施設で得られるエネルギーは、反応を引き起こすために投入したエネルギーに比べてまだ小さいです。核融合反応を継続させるために必要な最低限の条件、いわゆる「点火条件」をクリアすることが最も重要な課題の一つです。
ブレークイーブン点: 核融合のエネルギー生成が投入エネルギーを超えることを「ブレークイーブン」と言いますが、これに達することができたとしても、それを安定的に維持するための技術や装置がまだ発展途上です。現在、フランスで進行中の「ITER（国際熱核融合実験炉）」プロジェクトは、このブレークイーブンを目指していますが、商業レベルでのエネルギー生成にはさらに技術的進展が必要です。
3. 燃料供給の課題
核融合で主に使われる燃料は、**重水素（D）と三重水素（T）**です。このうち、重水素は海水中に豊富に存在しますが、三重水素は天然にはほとんど存在せず、人工的に生成する必要があります。
三重水素の供給: 核融合炉の中で三重水素を生成するためには、リチウムと中性子を反応させる必要がありますが、このプロセスの効率化が課題となっています。現在、三重水素の生成量が十分に安定しておらず、商業規模での核融合発電に必要な燃料供給を確保できるかどうかはまだ未確定です。
三重水素の管理と安全性: 三重水素は放射性物質であり、その取り扱いには高い安全性が求められます。漏洩や事故を防ぐための管理体制の構築が必要であり、商業的に利用する際には、こうしたリスク管理が大きな課題となります。
4. コストと経済性
核融合発電技術は、今のところ非常に高コストです。巨大な施設の建設、超高温を維持するための装置、高度な材料の使用など、莫大な資金が必要です。
初期投資の高さ: 核融合発電の施設は、建設費が非常に高額です。ITERプロジェクトも数兆円規模の投資が行われていますが、商業規模の発電所を建設するにはさらに多くの資金が必要です。また、核融合発電所を稼働させるための運用コストも膨大で、現時点では他のエネルギー源と比べて非常に高コストです。
経済的な持続可能性: 実際に核融合発電が商業化されたとしても、エネルギー単価が低くなければ広く普及することは難しいです。現在の段階では、技術的な進展によって大幅なコスト削減が達成されることが見込まれていますが、実際にそれが可能かどうかは不確定です。
5. 中性子の管理と材料への影響
核融合反応では、中性子が大量に放出されます。これらの中性子は、炉の内壁や周辺機器に強い影響を与え、長期的には材料の劣化を引き起こします。
中性子による材料劣化: 中性子が炉の内壁に当たると、材料の原子構造が破壊され、機械的な強度が低下することがあります。これにより、耐用年数が短くなったり、安全性が損なわれたりするリスクがあります。そのため、中性子に耐えられる新しい高耐久材料の開発が不可欠です。
放射化問題: 中性子によって周囲の構造材が放射化することも課題です。放射化された材料は、一定期間の放射線を出し続けるため、廃棄物としての処理が必要になります。核融合発電は核分裂発電に比べて放射性廃棄物が少ないとされますが、この点についても解決が求められています。
6. 商業化への長い道のり
核融合発電は、研究段階から商業化段階に進むために、非常に長い時間がかかると予想されています。現在進行中のITERプロジェクトでさえ、初期実証段階にあり、商業規模の実用化には数十年を要するとされています。
技術の成熟度: 核融合技術は、まだ開発段階にあり、安定的かつ持続可能にエネルギーを供給できる商業規模の核融合発電所が完成するには多くの技術的ブレイクスルーが必要です。
規制や政策の整備: 商業化に向けては、技術開発だけでなく、各国政府の政策や規制の整備も重要です。核融合発電の安全性や廃棄物の取り扱い、経済的なインセンティブなど、法律面での整備も商業化には欠かせません。
現在の取り組み
現在、国際的なプロジェクトとして進行している「ITER（国際熱核融合実験炉）」があり、フランスで核融合の実証実験が進められています。このプロジェクトは、核融合のエネルギーを商業的に利用するための重要なステップであり、世界中から多くの国々が参加しています。
核融合発電が実現すれば、未来のエネルギー問題の解決に大きく寄与する技術として期待されています。