過去5年間で、核融合エネルギーに対する民間セクターからの資金調達が爆発的に増加した。ベンチャーキャピタル、ディープテック投資家、エネルギー企業、および各国政府からの投資総額は、100億米ドル(1兆5000億円)に近づいている。
関与している企業(および資金)の大半は米国にあるが、中国や欧州でも活動が増加している。
なぜこのようなことが起きたのか。いくつかの要因がある。炭素フリー電力への緊急性の高まり、新素材や人工知能(AI)を使った制御方法などの技術と理解の進歩、民間セクター企業のエコシステムの拡大、そしてテック億万長者からの資本の波である。これらは、核融合科学における理論と実験の実証された進歩を背景としている。
一部の企業は現在、数年以内に商業的な電力供給を開始するという積極的な主張を行っている。
核融合とは何か?
核融合は、軽い原子(通常は水素とその重い同位体である重水素と三重水素)を結合させて、より重い原子を形成し、その過程でエネルギーを放出するものである。これは、既存の原子力発電所で使用されている核分裂(重い原子がより軽い原子に分裂する過程)の逆である。
エネルギー生産のために核融合を制御することは困難である。自然界では、星の中心部で、極めて高い密度と温度で核融合反応を実現している。
太陽の中心部におけるプラズマの密度は水の150倍であり、温度は約1,500万度である。ここでは、通常の水素原子が融合して最終的にヘリウムを形成する。
しかし、水素1キログラムあたりが生成する電力はわずか約0.3ワットである。これは、「反応断面積」(水素原子が融合する可能性)が極めて小さいためである。しかし、太陽は巨大かつ大質量であるため、総出力(1026ワット)と燃焼期間(100億年)は天文学的である。
より重い形態の水素(重水素と三重水素)の融合は、反応断面積がはるかに大きく、融合する可能性が高いことを意味する。断面積は、太陽の中心部の10倍の温度、約1億5,000万度でピークに達する。
この高温でプラズマを継続的に封じ込める唯一の方法は、極めて強力な磁場を使用することである。
出力の増加
これまで、核融合炉は、核融合反応を起こすために投入されるエネルギーよりも多くのエネルギーを安定的に出力することに苦労してきた。
核融合炉の最も一般的な設計は、トロイダル、つまりドーナツ状の形状を使用している。
ドーナツ状の「トカマク」設計における重水素-三重水素融合を使用した最良の結果は、1997年の欧州JET炉で達成され、エネルギー出力は投入の0.67倍であった。(ただし、日本のJT-60炉は、重水素のみを使用して、三重水素が関与すればより高い数値に達することを示唆する結果を達成している。)
より大きな利得は、短時間のパルスで実証されている。これは1952年に熱核兵器実験で初めて達成され、2022年には高出力レーザーを使用してより制御された方法で達成された。
ITERプロジェクト
核融合を実証する可能性が最も高い公的プログラムは、ITERプロジェクトである。ITERは、かつてInternational Thermonuclear Experimental Reactorとして知られていたもので、エネルギー源としての核融合の科学的および技術的実現可能性を実証することを目的とした、35カ国以上の共同プロジェクトである。
ITERは1985年、米国とソ連の指導者Ronald ReaganとMikhail Gorbachevの首脳会談で最初に構想された。炉の設計と建設地の選定に約25年を要し、2010年にフランス南部のCadaracheで建設が開始された。
プロジェクトには若干の遅延が見られたが、研究運転は現在2034年に開始される見込みであり、重水素-三重水素融合運転は2039年に予定されている。すべてが計画通りに進めば、ITERは、わずか50MWの外部加熱から、約500メガワットの核融合出力を生成する。ITERは科学実験であり、電力を発電することはない。しかし、参考として、500MWは米国の約40万世帯に電力を供給するのに十分である。
新しい技術、新しい設計
ITERは、絶対零度(約-269度)に近い温度で動作する超伝導磁石を使用している。一部の新しい設計は、より高い温度で強力な磁場を可能にする技術の進歩を利用しており、冷却コストを削減している。
そのような設計の1つが、民間企業Commonwealth Fusion SystemsのSPARC tokamakであり、約30億米ドルの投資を集めている。SPARCは、プラズマの挙動に関する高度なシミュレーションを使用して設計されており、その多くは現在、計算を高速化するためにAIを使用している。AIは、運用中のプラズマ制御にも使用される可能性がある。
別の企業Type I Energyは、ステラレーターと呼ばれる設計を追求しており、複雑な非対称コイルシステムを使用して、ねじれた磁場を生成する。高温超伝導体と先進的な製造技術に加えて、Type I Energyは高性能コンピューティングを使用して、最大性能を実現するために機械を最適に設計している。
両社とも、2030年代半ばまでに商業核融合発電を展開すると主張している。
英国では、政府が支援する産業パートナーシップがSpherical Tokamak for Energy Productionを追求しており、2040年までに完成が提案されている核融合パイロットプラントの試作機である。
一方、中国では、国有の核融合企業がBurning Plasma Experimental Superconducting Tokamakを建設しており、5倍の電力利得を実証することを目指している。「ファーストプラズマ」は2027年に予定されている。
いつ実現するのか?
ドーナツ状の磁場を使用して核融合から電力を生成することを計画しているすべてのプロジェクトは非常に大規模であり、ギガワットオーダーの電力を生成する。これには根本的な理由がある。より大きな装置の方が封じ込めが優れており、より多くのプラズマはより多くの電力を意味する。
これを10年で実現できるのか。簡単ではない。比較のため、1GWの石炭火力発電所(よく理解されている成熟した、しかし望ましくない技術)の設計、立地、規制遵守、建設には最大10年かかる可能性がある。2018年の韓国の研究は、1GWの石炭火力発電所の建設だけで5年以上かかる可能性があることを示した。核融合ははるかに困難な建設である。
このような野心的なタイムラインを持つ民間および官民パートナーシップの核融合エネルギープロジェクトは、高いリターンをもたらすだろうが、失敗のリスクも高い。たとえ高遠な目標を達成できなくても、これらのプロジェクトは、新しい技術を統合し、リスクを分散することで、核融合エネルギーの開発を加速させるだろう。
多くの民間企業は失敗するだろう。これは、国民が核融合を支持することを思いとどまらせるべきではない。長期的には、核融合発電を追求する十分な理由があり、その技術が機能すると信じる理由がある。