核融合

君の周りにあるもの——おもちゃも、空気も、君自身も——すべて「原子」っていうすごく小さな粒でできているんだ。原子はあまりにも小さくて、一番いい虫めがねでも見えないよ。

ふだん、原子は離れていたがるんだ。でも太陽にはすごい力があって、中心がものすごく熱くて重いから、原子をギュッと押しつぶして、くっつけることができる。2つの小さな原子がくっついて1つの大きな原子になるとき、ほんのちょっとだけ純粋なエネルギーに変わる——そのエネルギーがすっごく大きいんだ！

これが「核融合」。太陽があんなに明るくて暖かい理由だよ。太陽は毎秒、何百万、何千万もの原子をくっつけていて、そのエネルギーが地球まで届いて、光と暖かさをくれているんだ。

科学者たちは地球でも同じことをやろうとしている——特別な機械の中に小さな太陽のかけらを作るんだ。もし成功したら、汚染しないし、ほとんど枯れない新しい発電方法ができる！

何世紀もの間、錬金術師たちは元素を別の元素に変えることを夢見ていた。1920年、イギリスの物理学者アーサー・エディントンは、星が水素をヘリウムに融合させることで動いているのではないかと提唱した——錬金術師が望んだ金ではなかったけれど、元素の変換は実際に起きていたんだ。

1939年、ハンス・ベーテが太陽を動かす核反応を正確に解明し、ノーベル賞を受賞した。重要な洞察は、水素原子核がヘリウムに融合すると、できたヘリウムは元の水素よりわずかに軽くなる。その失われた質量がエネルギーになる——アインシュタインの有名なE=mc²の式に従って。

第二次世界大戦は核物理学を劇的に加速させた。水素爆弾（1952年）は制御されていない核融合が可能だと証明した。課題は「このパワーをどうやって平和的に利用するか？」になった。

問題：核融合は極端な温度——1億度以上、太陽の中心より熱い——でしか起きない。この温度では物質は「プラズマ」になる。電子が原子から剥がれた超高温のガスだ。どんな容器も蒸発させてしまうものを、どうやって閉じ込める？

2つの主要なアプローチが生まれた：磁場閉じ込め（強力な磁石でプラズマを保持）と慣性閉じ込め（レーザーで燃料ペレットを超高速圧縮し、飛び散る前に融合させる）。

地上の核融合炉で最も有望な反応は重水素-三重水素（D-T）反応だ：

重水素は豊富——海水から抽出可能。三重水素は希少だが、炉のブランケットでリチウムから増殖できる。反応はヘリウム原子核（アルファ粒子）と高エネルギー中性子を生成する。アルファ粒子はプラズマを加熱し、中性子は炉壁にエネルギーを運び、発電と三重水素増殖に使われる。

核融合が自己持続するには、プラズマがローソン条件を満たす必要がある——温度、密度、閉じ込め時間の組み合わせ：

ここでnは密度、Tは温度、τはエネルギー閉じ込め時間。プラズマは十分な核融合反応が起きるまで、高温高密度を維持しなければならない。

重要な概念：

• Q値：核融合出力と加熱入力の比。Q=1が「損益分岐点」。発電所にはQ>10が必要。Q=∞が「点火」（外部加熱なしで自己持続）
• トカマク：ドーナツ型の磁場閉じ込め装置。プラズマは外部コイルと内部プラズマ電流による磁場で閉じ込められ、らせん状に回る
• ステラレータ：トカマクに似ているが、プラズマ電流の代わりにねじれた外部コイルを使用。より安定だが、工学的に難しい
• 慣性閉じ込め：高出力レーザーで燃料ペレットを極端な密度に圧縮し、ナノ秒単位のバーストで融合を達成

課題は物理だけではない——工学だ。材料は激しい中性子照射に耐えなければならない。超伝導磁石は精密に制御されなければならない。三重水素は安全に取り扱われなければならない。そして経済性は最終的に安価な代替手段と競争できなければならない。

フランスのITER（国際熱核融合実験炉）は、70年間の公的核融合研究の集大成だ。2010年から約250億ドルの予算で建設中、2030年代にQ=10を数百秒間維持することを目指している。

ITERの主要技術革新：

• Nb₃Snを使用した超伝導磁石、11.8テスラのトロイダル磁場を生成
• 840 m³のプラズマ体積——従来装置の10倍
• 燃料自給のための三重水素増殖ブランケットの初テスト
• 10 MW/m²の熱流束に対応できるタングステンダイバータによる排気処理

しかしITERのスケジュール——2025年にファーストプラズマ、2030年代にD-T本格運転——は、より速く動けると賭ける民間核融合企業の波を活性化させた：

高温超伝導体革命は極めて重要だ。HTS材料（REBCOテープ）は、より小さな装置でより強い磁場を可能にする。磁場強度が重要なのは、閉じ込め圧力がB⁴でスケールするから。20テスラ磁石（HTSで達成可能）は10テスラ磁石の16倍の閉じ込めを提供する。

未解決の重要な工学的課題：

• 第一壁材料：14.1 MeVの中性子は変位損傷、膨潤、核変換を引き起こす。~10 dpa以上でテストされた材料はない。発電所には~100 dpaに耐える材料が必要
• 三重水素増殖比：消費量より多くの三重水素を増殖する必要がある（TBR > 1.0）。これは大規模で実証されたことがない
• プラズマ安定性：周辺局在モード（ELM）、ディスラプション、その他の不安定性が炉壁を損傷する可能性。制御システムは予測と防止が必要
• 稼働率：発電所にはほぼ連続運転が必要。現在の装置はパルス運転

D-Tを超えて：第一世代の核融合炉は、点火要件が最も低いD-Tを使用する。しかし14.1 MeVの中性子は重大な材料課題を生む。先進燃料は理論的利点を提供する：

• D-D核融合：三重水素増殖不要、ただしより低い反応性のためより高温が必要
• D-He³：ほぼ無中性子、ただしHe³は希少（月のレゴリスが潜在的供給源の一つ）
• p-B11：真に無中性子、ただし~500 keVの温度が必要——D-Tの5倍。非マクスウェル分布を使用しない限り制動放射損失が支配的

TAE Technologiesなどは無中性子アプローチを追求し、中性子問題の解消はより難しい物理学に値すると賭けている。

閉じ込め物理学の議論：

• トカマク乱流：ジャイロ運動論シミュレーションは劇的に改善したが、周辺輸送の予測は困難なまま。ITERは小型装置からの外挿をテストする
• ステラレータ最適化：ドイツのWendelstein 7-Xは、プラズマ電流ディスラプションなしに優れた閉じ込めを達成する可能性のある準等力学配位を探究中
• コンパクトトカマクスケーリング：CFSなどはHTS磁石がサイズ-コスト方程式を変えると賭ける。批判者は物理スケーリングがコンパクトさを期待ほど有利にしない可能性を主張

材料の崖：プラズマ物理が成功しても、核融合炉条件で認定された構造材料はない。DEMO（ITER後継計画）には、まだ工業規模で存在しない材料が必要。低放射化フェライト-マルテンサイト鋼（RAFM）のEUROFERが主要候補だが、さらなる開発が必要。バナジウム合金とSiC/SiC複合材は長期的選択肢。

経済とグリッドの問題：

• 資本コスト予測は楽観的（~$5000/kW）から厳しい（~$15000/kW）まで幅がある。太陽光＋蓄電は$1000/kWに到達する可能性
• 核融合は天候に左右されないベースロード電力を提供——再生可能エネルギー主体のグリッドでは価値があるが、いくらでもいいわけではない
• 核融合の役割は電力網ではなく、産業向けプロセス熱、水素製造、合成燃料だという議論もある

専門家が議論していること：

• 民間企業は本当にITERのスケジュールを上回れるのか、それとも「迅速に動く」アプローチは物理の壁にぶつかるのか？
• コンパクトトカマク仮説（CFS、Tokamak Energy）は健全か、それともITER規模が依然必要か？
• 材料科学はプラズマ物理に追いつけるか、それとも真のボトルネックなのか？
• 公的資金はITERの実績あるアプローチを支援すべきか、代替コンセプトに多様化すべきか？
• 核融合は気候変動に間に合うのか、それとも2050年以降の技術か？

核融合の科学的根拠は強固だ：物理が機能することはわかっている——太陽が毎日証明している。工学的根拠は不確かだが、ますます有望になっている。「あと30年」というジョークが何十年も続いた後、核融合はついにビルドフェーズに入りつつあるかもしれない。2030年代の突破か2050年代の到達かは、まだ完全には特徴づけられていない問題にかかっている。