核融合エネルギーの未来

画像提供：© NNASA/CXC/INAF/Argiroffi, C. et al./S. Wiessinger

かつて、多くの科学評論家は核融合技術を机上の空論と捉えていました。「今も、これからも（核融合技術は）30年先の未来の技術であり続けるだろう」[1]という見解が一般的だったのです。しかし、核融合エネルギーはもはや空想の産物ではなく、近い将来に実現する可能性を示す強い兆候が現れています。核融合エネルギーが実現すれば、化石燃料に依存する世界の状況は一変するでしょう。

ブルームバーグ インテリジェンスの「核融合市場、40兆米ドルの評価額に達する見込み[2]」やフォーブズ誌の「核融合は新時代に突入[3]」などの見出しは、核融合エネルギーが遂に身近なエネルギー源になるかもしれないとの期待の高まりを反映しています。このように従来の意見が大きく覆される背景には、どのような変化があったのでしょうか？ さらに、世界が気候変動やエネルギー危機に直面している今、最も重要なのは、この核融合エネルギーがどれくらい早急に世界のエネルギーミックスの一部として受け入れられるかということです。

© マサチューセッツ工科大学（MIT）／MITプラズマ科学・核融合センター

可能性は大きいものの…

核融合には非常に大きいメリットがある一方で、技術的に大きな障壁があることも事実です。過去半世紀にわたり、核融合技術はゆっくり、着実に進歩してきました。

2022年2月、英国オックスフォードシャー州にあるカルハム核融合エネルギーセンターが運営する欧州トーラス共同研究施設（JET）の研究者は、60W形の電球を11日間点灯できる59メガジュールのエネルギーを作り出すことに成功し、核融合の新記録を達成したことを発表しました。このエネルギー生産量自体は大したことはありませんが、無限のクリーンエネルギーを生成する核融合技術が少しずつ現実味を帯びてきたと評価されました。その前の記録は、同じくJETが25年前の1997年に達成した22メガジュールでした。

一方、フランス南東部に建設中の国際熱核融合実験炉（ITER）は、建設開始から11年が経過し、すでに当初の予算の60億米ドルを数百億米ドル近く超過しています。220億米ドルに上る現在の建設費は、EU、米国、中国、ロシアなど、合計で世界人口の3分の2を占める国の財政で賄われています[4]。

もちろん、集光型太陽発電、太陽光発電、陸上・洋上風力発電、バイオマス発電、地熱発電など、化石燃料の代替エネルギーは他にも複数あり、二酸化炭素の排出量を実質ゼロにするために必要なエネルギー移行に大きく貢献しています。しかし、核融合が持つ潜在的なメリットはやはり大きく、ジェフ・ベゾス[5]やビル・ゲイツ[6]をはじめ、ジャミール・ファミリーの投資部門であるJIMCOなどの多くの投資家や投資機関を惹きつけています。JIMCOの投資活動は、Abdul Latif Jameel（アブドゥル・ラティフ・ジャミール）が掲げる風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーへの長期的な取り組みの一環です。

核融合エネルギーの利点

二酸化炭素やメタンなどの温室効果ガス（GHG）を含む炭素放出は、地球の気候変動をもたらす主な要因であることが知られています。大気中の温室効果ガスが多いほど、温暖化も進みます。そして、最善の努力にもかかわらず、状況は悪化の一途を辿っています。2021年時点で世界の二酸化炭素の平均濃度は414.72ppmに達し、過去最高を記録しました[7]。

核融合の素晴らしい点は、二酸化炭素を排出しないことです。また、核融合炉は、核分裂を使用する原子力発電とは異なり、長寿命放射性廃棄物が発生しません。放射性を帯びるのは核融合炉の部品のみで、しかも放射線量が低いため、100年未満でリサイクルや再利用が可能です[8]。

ウランやプルトニウムなどの核分裂燃料（核分裂性物質）とは異なり、核融合の原料は豊富な上に無害です。核分裂性が皆無でいかなる濃縮もされないため、兵器化のリスクはなく、また入手も容易です。重水素は水から抽出が可能で、トリチウムは地殻や海水に多く含まれる元素であるリチウムを使って発電所内で生産できます。

また、核融合のプロセスは非常に生産的です。核融合の燃料1kgは、化石燃料1,000万キログラムと同等のエネルギーを供給できます。1ギガワットの核融合発電所なら、年間の燃料消費量は1トン以下で済み、1gの燃料で90,000kWhのエネルギーを生成できます。安全性も重要な考慮事項です。核分裂を使う従来の原子力発電は歴史的に事故やニアミスが多く、政府機関は、原子炉の主要部品が核兵器の製造に使われる危険性を危惧してきました。しかし、核融合にはそうした心配がありません。前述の通り、燃料は切手1枚分の重量のみで足りる上に、核分裂性や濃縮がないため、メルトダウンや暴走反応が発生する危険性はありません。

「核分裂は起こすのは簡単ですが、止めるのが難しい。核融合エネルギーはその逆です」と、この分野を牽引する主要企業のひとつであるGeneral Fusion（ジェネラル・フュージョン）[9]でCEOを務めたクリストファー・モーリー氏は語ります。

核融合発電に賛同する人々は、核融合発電は低コストかつ最小限のリスクで[10]無限に近いエネルギーを生産できる可能性があることから、研究開発の価値があると主張しています。

核融合 vs 核分裂

従来の原子力発電所は、核分裂を利用します。すなわち、重い元素（通常はウラン）の原子核を分裂して軽い元素を生成し、その過程で 放出されるエネルギーで水を沸騰させて蒸気を起こしてタービンを回し、発電を行います。

核融合は、それとは逆のプロセスです。軽い原子を融合して重い原子を作ることで熱を発生させます。核融合が莫大なエネルギーを放出する理由は、新しい元素の質量が、元の原子の質量の総和よりもわずかに小さくなるからです。このわずかな質量が、アインシュタインの有名な公式「E=mc²」に従ってエネルギーに変換されます。このプロセスは、太陽などの恒星がエネルギーを生成する原理と同じです。アインシュタインの公式では「E」はエネルギー、「m」は質量、「c」は光速を表す定数（秒速30万キロメートル）を示します。核融合で物質がエネルギーに変換される際には光速の2乗が乗数になることから、非常に強力な反応を引き起こすのです[11]。

しかし、これは単純なプロセスではありません。核融合が成立するためには、原子の衝突が必要です。問題（のひとつ）は、原子核（負の電荷を持つ電子に囲まれた、正の電荷を持つ陽子と中性子で構成される原子の核）はお互いに反発しあうということです。この原子核同士の反発を克服するためには、狭い空間で超高速で移動させる必要があります。太陽や他の恒星は、文字通り天文学的な質量により巨大な重力が発生し、原子が恒星の中心に向かってものすごい力で引き寄せられるために核融合が可能なのです。

地球では、これとは異なるアプローチが必要になります。このことは、何十年もの間、優秀な物理学者やエンジニアの頭を悩ませてきました。核融合プロセスは、研究施設にて小規模で実証されていますが、そのプロセスは複雑で、現時点では消費エネルギーを超えるエネルギー生成は実現していません。

核融合反応を起こすためには、物質を高エネルギープラズマ状態に移行させる必要があります。これは、気体に近い電離ガスの状態です。プラズマは荷電粒子（正の原子核と負の電子）で構成されます。私たちが呼吸する空気の100万分の1程度の密度しかない非常に希薄なガス状態です[12]。核融合を起こすには、プラズマを摂氏5,000万度の非常に高い温度まで加熱し、強い圧力で安定させ、核融合が可能な密度で長時間閉じ込める必要があります。

核融合のさまざまな形式

核融合の実用化を実現するためには、プラズマを制御された環境で生成し、そこから得られるエネルギーを回収する必要があります。現在、核融合の基本的な形式は2つあり、さらにいくつかのバリエーションがあります。基本的な形式のひとつは、カリフォルニア州のローレンス・リバモア国立研究所の国立点火施設で採用されており、核融合燃料を閉じ込めてレーザーで圧縮するもので、慣性閉じ込め方式（Inertial Confinement Fusion／ICF）と呼ばれています。

もうひとつは、「磁場閉じ込め方式（Magnetic Confinement Fusion／MCF）」と呼ばれるもので、非常に強力な磁石を使って磁場を作り、プラズマを遮断された装置の中に閉じ込める方式です。その中心にあるのが、トカマクと呼ばれるドーナツ型のMCF炉です。これは、高強度磁場を用いて水素プラズマを摂氏数億度に加熱し、プラズマを安定化した上で原子の結合を図ります。目標は、プラズマを長時間閉じ込めて膨大な量の核融合反応を起こすことです。現在の記録はわずか6分に過ぎません。

上記の核融合形式のバリエーションとして、MCFとICFの両方を組み合わせ、エンジニアリングやリソースを低減する磁化標的核融合（Magnetized Target Fusion／MTF）もあります。この形式では、磁場閉じ込め方式と同じく核融合燃料を強い磁場で加熱し、低密度のプラズマに変換させます。また、慣性閉じ込め方式と同様に燃料を高速圧縮し、密度と温度を大幅に上げて核融合反応を起こします。その結果、慣性閉じ込め方式のみを使用した場合に比べて燃料の密度が低くなります。一部の科学者は、閉じ込め時間を延長でき、保温性に優れたこのハイブリッド形式が装置の建設も比較的容易で、核融合の実用化を実現するのではないかと考えています。

本格的な商業用核融合炉は、他の電源と競合できる経済性を達成できると言われています。目標は、石炭と同じ1mWあたり50米ドルまでコストを下げることです。他の再生可能エネルギーは、核融合エネルギーより価格は低いかもしれませんが、信頼性や柔軟性の点で核融合エネルギーに劣ります。

未来へのエネルギー投資

Jameel Investment Management Company（ジャミール・インベストメント・マネジメント・カンパニー／JIMCO）を通じて再生可能エネルギーや二酸化炭素の排出量を実質ゼロにする事業に積極的に投資しているAbdul Latif Jameelは、急速に発展する核融合エネルギー分野を牽引するスタートアップ企業2社への出資を決定しました。ボストンにあるマサチューセッツ工科大学（MIT）プラズマ科学・核融合センターのスピンアウト企業で、ジェフ・ベゾス氏やビル・ゲイツ氏も出資しているCommonwealth Fusion Systems（コモンウェルス・フュージョン・システムズ／CFS）と、ベゾス氏が出資しているカナダのGeneral Fusionです。 [13]

2021年12月、JIMCO Technology Fund（ジムコ・テクノロジー・ファンド）は、核融合発電の商業化への加速を目指すCFSの18億米ドルに上るシリーズB資金調達ラウンドに参画を表明しました。また、同月にGeneral FusionのシリーズE資金調達ラウンド（1億3,000万米ドル）への参画も発表しています。

General Fusionの技術は、前述の通り、MCFとICFの両方を組み合わせたMTFを採用しています。この核融合プロセスでは、強力な電気パルスでプラズマを自己安定化させて炉心に入射することで磁場閉じ込めを回避します。これは「プラズマの煙の輪」に例えられます。輪の中の気流が数秒間形状を維持して消えるのです[14]。プラズマの煙を維持できるのは20ミリ秒程度ですが、圧縮をかけるには十分な長さです。

General Fusionの核融合炉の炉心には、溶融したリチウムと鉛が敷き詰められており、プラズマを噴射するとガスピストンによって炉心が圧縮され、円柱から球体に形状が変わり、核融合率が飛躍的に向上する仕組みになっています。

核融合炉の液体金属は、プラズマを圧縮するだけでなく、核融合反応で発生するエネルギーを取り込むこともできます。加熱された金属は、熱交換器に配管されて蒸気の生成に使用されます。一方、核融合反応による中性子で、リチウムの一部は、希少で高額なトリチウム燃料に変換されます。また、炉心の回転速度を変えることで、出力を10倍に増やしたり、10分の1に減らすことも可能です。そのため、電力需要が高いときに発電量を増やし、低いときには減らすという「負荷追従運転」が可能になります。

国立点火施設で使用されているようなレーザー圧縮方式では、10億分の1秒以上の保持時間が必要です。しかし、General Fusionの核融合炉の圧縮方式の場合は1,000分の1秒となるため、はるかに低価格なデジタル電子機器を使用できます。その結果、MCFやICFよりも低コストでシンプルに建設・運用できる核融合炉を実現できるのです。

General Fusionは現在、数十年にわたり英国の核融合研究の中心地として発展してきたロンドン近郊のカルハムに実証プラントを建設しており、2025年に操業開始を予定しています。同社は、2030年代の初頭までに核融合炉第1号機の商業化を目指しています。

トカマク型装置への挑戦

ボストンに本拠を置くCommonwealth Fusion Systems（CFS）は、トカマク技術を基盤にした別の核融合形式を採用しています。CFS CEO兼共同創業者のボブ・マムガード氏は、6年後に核融合炉を実用化することを目指していると語ります。

Abdul Latif Jameel Perspectivesの記事の中で、マムガード氏は、CFSが希土類バリウム銅酸化物でできた画期的な高温超伝導体（HTS）を使用することで、強力な磁石を従来より大幅に小型化したと述べています。

すなわち、核融合炉に使用されるトカマク装置も大幅に小型化できるということです。

マムガード氏はフランスに建設中のITER施設の敷地が縦1km、横400mであることに触れ、「現在のトカマク技術では、核融合のための正味エネルギーを生成するのに非常に大きな磁場を作る必要があります」と語ります。「HTSマグネットを適切な構成で開発することで、ITERの約40分の1のサイズのトカマク装置を作ることが可能になりました。このことは、核融合システムに飛躍的な変化をもたらします」

HTSマグネットの強度、すなわち磁場の強さの測定には「テスラ」という単位が使用されます（磁束密度の単位）[15]。CFSの核融合炉に使用されているマグネットは20テスラで、戦艦を持ち上げられる強度があります。マムガード氏は、トカマク装置について、強力な磁場が摂氏1億度のプラズマの球（恒星を構成する材料）を制御する「巨大な磁気ボトル」と解説しています。

2021年9月に概念実証に成功したMITとCFSは、マムガード氏が呼ぶところの「正味エネルギーを生成する初の核融合装置」を建設中です。これが完成すれば、消費エネルギーの10倍にあたる電気エネルギー（100mW）を出力する初の核融合プラントとなります[16]。マサチューセッツ州デベンズで建設が進んでいるこの装置はSPARCという名称が付いており、2025年末に操業開始となる予定です。

民間資本の力

核融合技術の進歩には巨額の投資が必要であり、投資回収期間も長いことから、Abdul Latif Jameel社長代理兼副会長のファディ・ジャミールは、核融合エネルギーの長期的な成功には民間投資が不可欠であると考えています。

「民間資本や同族企業であることのメリットは、寛容資本が可能なことだと思っています。大勢の株主がいると、どうしても3〜5年以内に利益を上げることを要求されます。その点、同族企業は長期的な視野に立って投資を実施できます」と彼は語ります。「ですから、同族企業はビジネス継続性の取り組みの一貫として、未来を切り拓く最先端技術に投資する独自の機会を与えられていると同時に、投資の責任も負っているのです。それは、未来の世代に対する責任でもあります」

Abdul Latif Jameelは、再生可能エネルギー技術への投資において長年の実績を有しています。また、Abdul Latif Jameel Energy（アブドゥル・ラティフ・ジャミール・エナジー）は、水インフラやサービスの開発・管理を手がける大手企業のAlmar Water Solutions（アルマー・ウォーター・ソリューションズ）やFotowatio Renewable Ventures（FRV）などの傘下企業を通じて独自の再生可能エネルギー事業を展開しています。FRVは、オーストラリアの太陽光発電所9基の建設をはじめ、英国の電力網の脱炭素化に向けて英国エセックス州のクレイタイに産業用エネルギー貯蔵電池施設を建設するプロジェクトなど、再生可能エネルギー分野におけるさまざまなプロジェクトを手がけています。

豊かな報酬

核融合エネルギーへの投資が過去最高水準に達し、政府の後ろ盾だけでなく、多額の民間資本が投入されている現在、「核融合エネルギーは実際にどれだけの価値があるのか」という疑問が浮上します。

ブルームバーグ インテリジェンス[17]は、核融合炉の商用化が現実味を帯びてきたことから、その答えに挑む価値はあると確信したようです。論文の中で、核融合エネルギーの商用化は「現代の技術の発展とは桁違いの」業績になるだろうと述べています。核融合エネルギーの方がはるかに大きな成果をもたらすにもかかわらず、最も近い比較対象に電気自動車メーカーのテスラを挙げているのも興味深いところです。

この論文では、核融合が世界のエネルギー生産量の1%を代替できると仮定すると、40兆米ドルの評価額に相当するとの結論に達しています。しかし、それ以上に、核融合エネルギーはエネルギー市場を根底から覆し、その過程で人々が従来持っていた概念を大きく変えていくでしょう。低価格でクリーンな再生可能エネルギーを無限に生産し、全人類に届けられるようになるのです。

投資の価値のある未来だと思いませんか？

[1] https://www.economist.com/science-and-technology/2021/06/24/the-race-to-build-a-commercial-fusion-reactor-hots-up

[2] https://www.bloomberg.com/professional/blog/nuclear-fusion-market-could-achieve-a-40-trillion-valuation/

[3] https://www.forbes.com/sites/christopherhelman/2022/01/02/fueled-by-billionaire-dollars-nuclear-fusion-enters-a-new-age/

[4] https://www.sciencefocus.com/future-technology/fusion-power-future/

[5] https://www.cnbc.com/2019/03/06/bezos-microsoft-bet-on-a-10-trillion-energy-fix-for-the-planet.html

[6] https://www.nasdaq.com/articles/bill-gates-and-big-oil-are-chasing-the-nuclear-fusion-dream-2020-06-03

[7] https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide

[8] https://www.iter.org/sci/Fusion

[9] https://www.economist.com/science-and-technology/2021/06/24/the-race-to-build-a-commercial-fusion-reactor-hots-up

[10] https://ccfe.ukaea.uk/fusion-energy/fusion-in-brief/

[11] https://www.vox.com/22801265/fusion-energy-electricity-power-climate-change-research-iter

[12] https://www.iter.org/sci/MakingitWork

[13] https://www.economist.com/the-economist-explains/2022/02/09/what-is-nuclear-fusion

[14] https://www.economist.com/science-and-technology/2021/06/24/the-race-to-build-a-commercial-fusion-reactor-hots-up

[15] テスラ（記号：T）は、磁界の強さを表す磁束密度のSI組立単位。1Tは、磁束の方向に垂直な面1㎡当たり1ウェーバの磁束密度と定義されている。1T：SI基本単位：1kg･s−2･⋅･A−1（=Wb･m−2）、記号：T、派生SI単位：1 T = 1 Wb/m2

[16] https://www.nature.com/immersive/d41586-021-03401-w/index.html

[17] https://www.bloomberg.com/professional/blog/nuclear-fusion-market-could-achieve-a-40-trillion-valuation/