9月、核融合の技術的実現可能性を証明しようとしている主要な国際協力プロジェクトである国際熱核融合実験炉（ITER）に組み込まれる、非常に大きく信じられないほど強力な磁石が南フランスのサン・ポール・レ・デュランスで荷降ろしされた。
大西洋の向こう側では、この巨大な磁石が到着してから数日後、マサチューセッツ工科大学の研究チームが民間企業コモンウェルス・フュージョン・システムズと共同で、経済的な核融合に向けた競争における最新の成果を発表しました。それは、比較的小型の高温超伝導磁石を駆動源とするSPARC実験の試験成功です。この2つの磁石駆動実験は、エネルギー研究の聖杯である核融合発電への2つのアプローチを表しています。
核融合は既に実現されている。制御された核融合発電の記録保持者は、愛称JETと呼ばれる装置で、1990年代後半に16メガワットの核融合発電を成し遂げた。物理学者や技術者が現在、そして核融合が実現して以来直面している困難は、核融合炉から、反応を駆動するために装置が消費する電力よりも多くの電力を引き出すことである。
核融合は膨大なエネルギーを生み出す反応ですが、地球上では自然には起こりません。もし人類が核融合反応から、反応に必要なエネルギー（そしてそのためには膨大なエネルギーが必要です）よりも多くのエネルギーを安全かつ経済的に生み出すことができれば、石炭、石油、天然ガスといった炭素ベースのエネルギー源に依存する必要はなくなるでしょう。しかし、私たちは先走りすぎています。
核融合とは、2つの原子の軽い原子核が融合して1つの原子核を形成する反応のことです。この過程で、莫大なエネルギーが放出されます（これはアインシュタインのE=mc2の法則を実際に応用したものです）。核融合が起こるには、物質に非常に高いエネルギーを与える必要があり、それは1億度以上の非常に高温であることを意味します。太陽が輝いているのは、水素原子が結合してヘリウムを形成し、その過程でエネルギーが放出されるからです。科学者がこのプロセスを地球上で、しかも大規模に実現できれば、化石燃料を使わずに済むため、エネルギーははるかにクリーンになります。
「これは難しい問題だと分かります。何十年もの間、本当に真剣な努力、賢い人々、多額の資金、大型の機械を投入して人々が取り組んできたからです」と、MITプラズマ科学・核融合センターの物理学者でMIT-CFS共同研究メンバーのマーティン・グリーンウォルド氏はビデオ通話で語った。
これらは、今日の原子力発電所の原動力であり、重い原子核を分裂させることでエネルギーを生み出す核分裂と混同してはなりません。核分裂は核融合よりもエネルギーが少なく、放射性廃棄物を生成しますが、核融合では放射性廃棄物は生成されません。
ITERとSPARCはどちらも、1950年代に初めて発明されたトカマクと呼ばれる装置を利用しています。トカマクは、相互作用して核融合反応を引き起こす粒子からなる超高温のプラズマを閉じ込めます。トカマクはトーラス状に構築されます。これは幾何学的にドーナツ型を言い表したものです。核融合用に作られる装置はトカマクだけではありません。ステラレータも存在します。ステラレータはトカマクに似ていますが、よりねじれた形状をしています。トカマクがドーナツだとすれば、ステラレータはクルーラーです。
これらの装置は、核融合を可能にするプラズマを閉じ込めるための磁場を生成するために作られています。最近話題になっている磁石（ITERの超大型磁石とSPARCの比較的小型の磁石）はトカマクの一部であり、プラズマを閉じ込めて通常の物質との接触を防ぐために使用されます。トカマク内部のプラズマは、綿菓子を泡立てて形を作る過程を彷彿とさせます。時間の経過とともに、青、紫、ピンクの美しい色合いが次々と現れ、私たちは進行中の物理現象を観察することができます。（通常はこの様子を見ることはできませんが、プラハにあるCOMPASSトカマクにはカメラが設置されています。）
ITERの磁石は、最終的に6モジュールで構成される中央ソレノイド磁石のうち、110トンのモジュール1つです。完成すれば、中央ソレノイドは史上最大の超伝導磁石となり、その磁場は地球の磁場の約30万倍の強さになると米国エネルギー省は発表しています。トカマク全体の重量は2万3000トンになります。ITERの目標は、核融合発電に必要な電力の10倍の電力を生み出すことですが、これは機械が目指す核融合損益分岐点に過ぎず、初期のプラズマを生成するためにシステムに投入される電力量は含まれていません。したがって、正味電力（いわゆるエンジニアリング損益分岐点）を生み出す全体の動作は、より高尚な目標であり、ITERはそれを目指していません。
磁場の強さが2倍になれば、「同じ性能で装置を2倍小型化できる」と、マックス・プランク・プラズマ物理学研究所で核融合を専門とする物理学者アナ・コラー氏はビデオ通話で述べた。「しかし、この道は最近までほぼ行き詰まりで、超伝導体からの技術的な後押しを待っていたのです。」
コラー氏によると、建造、運用、更新に長い時間を要する極めて複雑な装置であるため、核融合実験には「絶え間ないダクトテープでの補修」のようなものが必要だという。40年前に初めて構想されたITERは、大規模な国際協力プロジェクトとして、これまで何度か遅延を経験してきた。ITERとMIT-CFSのチームは、ともに核融合反応を起こすという目標に向かって競争している。ITERは現在、最初のプラズマを2025年に動作させる予定で、MIT-CFSはSPARCが完成すると見込んでいるのと同じ年だ。一方、SPARCはARCと呼ばれるパイロット核融合プラントの科学的基盤を築いており、2030年初頭には稼働開始の可能性がある。どちらのプロジェクトも、実際に電力を送電網に流すわけではない。核融合の原理そのもの、つまり反応の生成に使用された電力よりも多くの電力を生成できることを証明しようとする実験なのだ。
「これは、相手を屈辱し、完全に打ち負かすことが最終目標となるような競争ではありません」とコラー氏は述べた。「これは、将来に向けて核融合研究における多様性を獲得するための競争であり、勝者が全てを独占するような競争ではありません。」
グリーンウォルド氏は50年近く核融合に取り組んできましたが、MITチームによる最近の技術革新は、ある意味画期的な出来事と言えるでしょう。「高温超伝導体を使って高磁場の磁石を実現するというアイデアは、私たちのDNAに深く刻まれていました」とグリーンウォルド氏は語りますが、最近の技術的ブレークスルーが起こるまで、チームにはそれをどのように実現できるのか全く分かっていませんでした。
MIT-CFSチームは、この構想を実現した今、将来のARC原子炉の技術実証装置であるSPARCの開発を全力で進めています。ARCもSPARCと同じ方法で構築され、平らな超伝導材料を積み重ね、20ケルビンまで冷却して磁場を発生させます。ARCの実現は、SPARCがこのコンセプトを実証できるかどうかにかかっています。「次のステップは、もう少し規模を拡大し、正味電力を生み出す施設全体を構築することです」とグリーンウォルド氏は述べています。
ARCはSPARCの約2倍の大きさになりますが、より多くのプラズマを保持し、核融合反応の可能性を高めるために大型容器で建設されたITERよりははるかに小さいです。MITの発表によると、MIT-CFSチームの新しい磁石により、容積が40倍の装置と同等の核融合反応を実行できるようになります。
もちろん、これは言うは易く行うは難しであり、長年の研究がそれを証明しています。そして、核融合がよりクリーンなエネルギーの未来への有用な道となるためには、比較的安価で拡張可能であることが不可欠です。
「我々は物理学者であり、絶対にすべてにおいて懐疑的でなければならない」とコラー氏は言う。「しかし、仕事をするためにはある程度の楽観主義も必要だ」
核融合に関しては、熱烈な支持者、懐疑論者、そして自称現実主義者が存在します。しかし、誰の期待が現実に最も近いのかを見極めるのは難しいものです。核融合発電に関するよくあるジョークは、それが常に30年先の、科学の地平線のすぐ向こうにある、というものです。核融合が夢物語だと考えるか、もうすぐ実現すると信じるかに関わらず、これまでの進歩は否定できません。そしてもしかしたら、ほんの少しだけ、その進歩の一部が今後10年以内に実現するのを目にすることになるかもしれません。
更新: この投稿は、新しい原子炉のテストは核融合発電の経済的実現可能性ではなく技術的な実現可能性を証明する可能性があることを明確にするために更新されました。また、SPARC と ITER のどちらも電力を送電網に戻すことはないことを強調しています。どちらも核融合発電が可能であることを実証することを目指す実験です。
