科学者たちの核融合に対する考え方は2022年に永遠に変わった。それは、一部で「世紀の実験」と呼ばれ、核融合がクリーンエネルギー源として実現可能であることを初めて実証したためである。
ローレンス・リバモア国立研究所で行われたこの実験では、点火に成功した。これは投入エネルギーよりも大きなエネルギーを生成する核融合反応を示したものである。
さらに、ここ数年は主に米国において、民間からの数十億ドル規模の投資が相次いでいる。
しかし、核融合を実用化して、安全で手頃な価格の、事実上無限のクリーンエネルギー源とするためには、数多くの技術的課題を解決しなければならない。つまり、今はエンジニアリングの時代なのである。
数十年にわたり核融合の基礎科学と応用工学に携わってきたエンジニアとして、我々は過去10年間で核融合の科学と物理学の多くが成熟期を迎えたことを目の当たりにしてきた。
しかし、核融合を実用的な商業用電力源とするためには、エンジニアは多くの実践的な課題に取り組まなければならない。米国がこの機会を活かし、核融合エネルギーの世界的リーダーとして台頭できるかどうかは、特に官民パートナーシップを通じて、これらの実践的な問題の解決にどれだけ投資する意志があるかにかかっている。
核融合炉の構築
核融合は、重水素と三重水素という2種類の水素原子が極限状態で衝突したときに発生する。2つの原子は文字通り1つの原子に融合するが、そのためには太陽の中心部の10倍も高い華氏1億8000万度（摂氏1億度）まで加熱する必要がある。これらの反応を引き起こすためには、核融合エネルギーのインフラはこのような極限状態に耐えられなければならない。
研究室での核融合には2つのアプローチがある。強力なレーザーを使用する慣性閉じ込め核融合と、強力な磁石を使用する磁場閉じ込め核融合である。
「世紀の実験」では慣性閉じ込め核融合が使用されたが、磁場閉じ込め核融合はまだエネルギー生成の収支均衡を実証できていない。
民間資金による複数の実験が今後10年でこの達成を目指しており、フランスの国際的支援を受けた大規模実験ITERも2030年代後半までに収支均衡の達成を目指している。いずれも磁場閉じ込め核融合を使用している。
前途に横たわる課題
両方のアプローチには、解決に多額の費用がかかる共通の課題がある。例えば、研究者は極限の温度と放射線環境に耐えられる新材料を開発する必要がある。
核融合炉の材料は、高エネルギー粒子の衝突により放射性を帯びるようになる。研究者は、数年以内に放射能レベルが安全に、より簡単に処分できるレベルまで減衰する新材料を設計する必要がある。
十分な燃料を持続可能な方法で生産することも重要な課題である。重水素は豊富に存在し、普通の水から抽出できる。しかし、通常はリチウムから生産される三重水素（トリチウム）の生産量を増やすことは、はるかに困難である。1基の核融合炉が運転するには、1日に数百グラムから1キログラム（2.2ポンド）の三重水素が必要となる。
現在、従来型の原子力発電所は核分裂の副産物として三重水素を生産しているが、これでは核融合炉群を維持するのに十分な量を供給できない。
そのため、エンジニアは核融合装置内で三重水素を生産する能力を開発する必要がある。これには、核融合炉をリチウムを含む材料で囲み、反応によってそれを三重水素に変換することが含まれる可能性がある。
慣性核融合を実用化するためには、エンジニアは凍結した重水素と三重水素でできた核融合燃料ターゲットを、毎秒数回程度の頻度で繰り返し照射できるレーザーを開発する必要がある。しかし、そのような速度でこれを行えるほど強力なレーザーは、まだ存在しない。また、エンジニアは、これらのレーザーを極めて高い精度でターゲットに向けるための制御システムとアルゴリズムを開発する必要がある。
さらに、エンジニアはターゲットの生産を桁違いに拡大する必要がある。現在は1年に数百個を手作業で生産し、1個あたり数十万ドルかかっているが、それを1個数ドルで数百万個生産する規模にする必要がある。
磁場閉じ込めについては、エンジニアと材料科学者は、プラズマを加熱・制御するより効果的な方法と、より耐熱性・耐放射線性の高い炉壁材料を開発する必要がある。原子が融合するまでプラズマを加熱・閉じ込めるために使用される技術は、何年にもわたって確実に作動する必要がある。
現在の資金調達の状況
世界的に民間企業からの投資が増加しており、これは今後も核融合研究を推進する重要な要因となる可能性が高い。民間企業は過去5年間で70億ドル以上の民間投資を集めている。
複数のスタートアップ企業が、今後数十年で電力網に核融合を加えることを目指して、異なる技術と原子炉設計の開発を進めている。その大半は米国に拠点を置き、一部は欧州やアジアに拠点を置いている。
民間部門の投資は増加しているものの、米国政府はこれまでの核融合技術開発において重要な役割を果たしており、今後もその役割を継続すると予想される。
「世紀の実験」が12年後に行われたローレンス・リバモア国立研究所の 国立点火施設の建設に約30億ドルを投資したのは、米国エネルギー省であった。
2023年、エネルギー省はこの技術のための核融合ハブを開発する4年間、4,200万ドルのプログラムを発表した。この資金は重要ではあるが、米国が実用的な核融合エネルギーの世界的リーダーとして台頭するために残された最も重要な課題を解決するには十分ではないと思われる。
この分野における政府と民間企業のパートナーシップを構築する一つの方法として、NASAとSpaceXの関係に似た関係を築くことが考えられる。NASAの商業パートナーの一つであるSpaceXは、NASAが使用できる技術を開発するために、政府と民間の両方から資金を受けている。同社は、宇宙飛行士を宇宙と国際宇宙ステーションに送り込んだ最初の民間企業となった。
多くの研究者と同様に、我々も慎重ながら楽観的である。新しい実験結果と理論、新しいツール、そして民間部門の投資は全て、実用的な核融合エネルギーの開発がもはや「可能かどうか」ではなく「いつ実現するか」という問題になっているという我々の認識を高めている。
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