核融合エネルギー

核融合エネルギー：未来のクリーンエネルギーと兵器技術

核融合エネルギーとは、水素やヘリウムなど軽い原子核を融合させることで発生する莫大なエネルギーのことです。この反応は核融合反応と呼ばれ、太陽や恒星が輝き続ける源でもあります。原子核は、鉄を境に軽い原子核は融合、重い原子核は分裂することで安定な状態へと移行します。核分裂反応を利用する原子力発電とは異なり、核融合反応は軽い原子核を燃料として用いる点が大きな特徴です。主な燃料は水素の同位体である重水素と三重水素、そしてヘリウム3ですが、ヘリウム3は地球上に極めて少ないため、入手が困難です。

核融合エネルギーの利用

核融合エネルギーの利用方法は、核分裂エネルギーと同様に平和利用と軍事利用に大別されます。

平和利用

核融合エネルギーの最大の期待は、クリーンで安全なエネルギー源としての活用です。「地上の太陽」とも呼ばれる核融合炉は、太陽よりもはるかに高いエネルギー密度を誇り、持続可能なエネルギー社会の実現に大きく貢献すると期待されています。長年、実用化は数十年先と言われてきましたが、近年、米国や英国を中心に核融合スタートアップへの巨額投資が相次ぎ、技術開発は目覚ましい進歩を遂げています。特許競争においても中国が先行するなど、国際競争は激化しています。2022年には、米国ローレンス・リバモア国立研究所において、核融合反応で発生したエネルギーが投入量を上回る「純増」を初めて達成するなど、技術的ブレークスルーが相次いでいます。

軍事利用

核融合エネルギーは、水素爆弾（水爆）という強力な核兵器にも利用されています。実験を除けば、未だ実際の軍事目的で使用されたことはありません。水爆は原子爆弾による核分裂反応を起爆剤として核融合反応を起こしますが、核融合炉でも利用されるヘリウム3は、原子炉内でリチウム6に中性子を照射して三重水素を作り、それがベータ崩壊することで生成される方法が検討されています。

核融合エネルギー研究の歴史

1900年代前半

核融合研究は20世紀初頭に始まりました。1920年、イギリスの物理学者フランシス・アストンは、水素原子を結合してヘリウムを形成することでエネルギーが放出されることを発見し、恒星のエネルギー生成メカニズム解明の重要な手がかりとなりました。その後、アーサー・エディントンが太陽のエネルギー源として陽子-陽子連鎖反応を提唱するなど、理論的な研究が進展しました。1933年には、人工的に核融合反応により生成された中性子が初めて検出され、1939年にはハンス・ベーテが太陽における核融合反応の詳しいメカニズムを解明し、ノーベル物理学賞を受賞しました。核融合炉に関する最初の特許は1946年に登録されました。

1950年代

1950年代は、核融合兵器開発が大きく進歩した時代です。1951年のグリーンハウス作戦で、ブースト型核分裂兵器が試験され、1952年のアイビー作戦では初の核融合兵器が成功しました。これらは制御されていない核融合ですが、核分裂爆発のエネルギーで核融合燃料を加熱・圧縮して核融合反応を起こすものです。一方、平和利用のための核融合炉開発研究も開始され、ライマン・スピッツァーによるステラレーターや、ソ連のイーゴリ・タムとアンドレイ・サハロフによるトカマク方式が提案されました。1958年には、ロスアラモス国立研究所でScyllaI装置を用いて、制御された熱核融合反応が初めて成功しました。

1960年代

1960年代にはレーザー核融合の概念が提案され、研究が開始されました。1964年にはニューヨーク万国博覧会で核融合のデモンストレーションが行われ、1967年には磁気ミラー型が発表されました。1968年には、アンドレイ・サハロフ博士のグループがトカマク型炉で準安定核融合反応に成功しました。この成功により、トカマク型が主流の核融合炉方式となりました。また、フィロ・ファーンズワースが発明したフューザーも、核融合研究に新たな道を拓きました。

1970年代

核融合反応の連鎖反応である「点火」のアイデアが提唱され、大型レーザー装置の開発が進められました。トカマクシステムにおいても、非円形プラズマやダイバータなどの改良が加えられました。逆磁場ピンチ型も研究され始め、世界初のレーザー誘起核融合も実現しました。

1980年代

オイルショックや冷戦を背景に、核融合研究は活況を呈しました。米国では大規模な磁気ミラー型プログラムが実施されましたが、予算の都合で閉鎖されました。一方、トカマク型の実験炉建設が世界中で進み、レーザー核融合研究も加速しました。この頃、常温核融合が発表されましたが、後に再現性が低いことが判明し、否定的な評価が定着しました。しかし近年、再評価の動きも見られます。球状トカマクの概念もこの時代に提案されました。

1990年代

JET実験炉が、核融合出力パワー1.7MWを達成し、核融合発電の可能性を示しました。米国では、NIF（National Ignition Facility）計画が開始され、大型レーザー装置の開発が進められました。ITER計画への参加国間の協力協定が締結され、国際協力体制が構築されました。

2000年代

レーザー核融合では高速点火方式が開発され、OMEGA-EPシステムが完成しました。焦電核融合も発表されましたが、発電目的には実用的ではありません。中国のEAST実験炉が完成し、独自の研究成果を上げました。民間の核融合企業も設立され、様々なアプローチによる核融合炉開発が進みました。

2010年代

NIFとフランスのレーザー・メガジュールが、レーザー核融合研究の中心となりました。NIFは、核融合反応から放出されるエネルギー量が燃料に吸収されるエネルギー量を上回るマイルストーンを達成しました。官民による研究開発が盛んになり、民間企業による高収量中性子発生装置の販売や、高ベータ核融合炉の開発などが発表されました。世界最大のステラレーターであるヴェンデルシュタイン7-Xも完成しました。

2020年代

NIFが核融合反応から1.35MJという記録的なエネルギーを発生させることに成功し、2022年には、史上初めて核融合反応の「点火」に成功しました。中国のEAST実験炉も、プラズマ長時間維持の世界記録を達成するなど、核融合研究は新たな段階に入っています。

まとめ

核融合エネルギーは、クリーンで安全なエネルギー源として、未来社会を支える可能性を秘めています。世界各国で活発な研究開発が続けられており、実用化に向けた技術的進歩はめざましく、実現への期待は高まっています。しかし、課題も多く残されており、今後の技術革新と国際協力が不可欠です。

もう一度検索