待望の核融合が世界を照らすのはいつになるのでしょうか？

核融合エネルギーは汚染物質が出ないことから最もクリーンなエネルギーとして知られています。無限のエネルギー源とも考えられています。なぜなら、他のエネルギー源に比べて、地球や月には核融合燃料が豊富に存在し、ほんの一握りで膨大な量の電気を生み出すことができるからです。

たとえば、海水には 1 リットルあたり 30 mg の重水素、つまり重水素が含まれています。これらの重水素が核融合によって放出するエネルギーは、340リットルのガソリンを燃焼させるのに相当します。ガソリンの密度が約0.725であることから、1立方メートルの海水のエネルギーは246.5トンのガソリンに相当します。

地球上には約137兆立方メートルの海水があり、これは核融合燃料としてのガソリン55兆5800億トンに相当します。 2023年の世界の総エネルギー消費量は標準石炭換算で211億トンとなり、標準石炭1トン当たりの熱エネルギーは約29.3GJとなる。ガソリンの熱エネルギーは標準的な石炭の熱エネルギーよりも大きい。ガソリン1トンあたりの熱エネルギーは約32GJです。 1:1の比率で計算したとしても、海水から変換された核融合エネルギーだけで、人類が現在の生活様式で26万年使用することが可能となります。

人類の記録された歴史はわずか数千年ですが、核融合エネルギーは人類が数十万年にわたって利用できるため、現代の人類にとって無限のエネルギー源となっています。もちろん、このアルゴリズムは現在の人類文明の低レベルにのみ限定されます。人類の文明が進歩するにつれ、エネルギーの需要は数千倍に増加するでしょう。その時までに、核融合は人類文明の生存と発展を支えることができなくなるでしょう。

人類が第二レベルの文明に到達すると、太陽全体を包み、太陽のエネルギーをすべて利用して文明のニーズを維持するダイソン球を構築する必要が生じると信じる科学的モデルがあります。これは別の話題なので、今日は詳しくは説明しません。

核融合とはいったい何でしょうか？複雑に聞こえますが、簡単に言うと、2つの原子核を強制的に結合させて、より重い原子核に融合させることです。現在の核融合は、最も単純な元素である水素原子核を圧縮してヘリウム原子核に融合するものです。この核融合反応中に、質量の約 0.7% が失われます。この質量がエネルギーに変換され、そのエネルギーが集められて発電が行われるのが、制御核融合の現在の目標です。

核融合は質量変換率がわずか0.7％のエネルギーしか生み出せないが、それでも十分驚異的だ。アインシュタインの質量エネルギー方程式 E=MC^2 によれば、1kg の物質の核融合プロセスでは 9^16J のエネルギーが生成され、これは 250 億キロワットの電力に相当します。この種のエネルギーはもはや単なる理論ではなく、現実に長い間確認されてきました。水素爆弾の爆発はこのエネルギーの現れですが、この瞬間的な爆発は制御不能であり、戦争と破壊を除いては基本的に人類の文明に利益をもたらすことができます。

したがって、人類のエネルギー問題を永久に解決できる核融合は、制御核融合と呼ばれます。つまり、核融合の膨大なエネルギーをゆっくりと制御された方法で放出し、社会的および商業的な用途に利用できるようになるのです。このエネルギーを制御可能にする方法は、科学者が 1950 年代から追求してきたテーマです。

核融合のプロセスは原子レベルで起こるため、極めて微視的なプロセスです。原子核は極めて小さな物質ですが、それを強制的に集めて核融合を起こし、連鎖反応を起こすのは非常に困難です。非常に大きなプレッシャーが必要です。太陽の中心部での核融合は、2500億から3000億気圧の圧力下で起こります。この圧力は地球上では達成できないため、高温で補うしかありません。

したがって、連鎖反応で核融合を達成するには、温度が少なくとも 1 億度である必要があります。これには、克服するのが難しいいくつかの困難が伴います。つまり、そのような高温にどうやって到達するか、そのような高温プラズマをどのような容器に入れて（閉じ込めて）保存するか、このエネルギーをどのように収集して利用するか、などです。何十年もの間、科学者たちはこれらの困難を克服する方法を見つけるために奮闘し、少しずつ進歩してきました。

地球上で最も高い温度に耐えられる物質はハフニウム合金（Ta4HfC5）で、その融点は4215℃です。しかし、この高温は、核融合に必要な10億度の高温に比べればほんのわずかです。したがって、核融合の高温プラズマは物理的な殻によって閉じ込めることはできません。研究と実験を経て、科学者たちは、この超高温エネルギーを制限する唯一の方法は、目に見えない磁気閉じ込め、慣性閉じ込め、重力閉じ込めを利用することだということを発見しました。

地球上では、太陽の中心部に見られるような超巨大な重力閉じ込めを実現することは不可能であるため、核融合における高温プラズマ閉じ込めの問題を解決するには、磁気閉じ込めと慣性閉じ込めの技術を使用するしかありません。しかし、50年、60年経っても、制約時間はまだ非常に短く、特に出力、つまりQ値は依然として非常に低いままです。その結果、多くの人々が核融合に対してますます悲観的になり、成功の見込みは薄いと考えるようになった。

いわゆる Q 値とは、核融合プロセスの入力エネルギーと出力エネルギーの比です。入力エネルギーに対する出力エネルギーが大きいほど、Q 値は高くなります。出力エネルギーが入力エネルギーよりも大きい場合にのみ、核融合技術は人類に利益をもたらすことができます。これはビジネスを行うのと少し似ています。少ない資本でより多くのお金を稼ぐことができれば、利益を上げることができます。

しかし、この単純な真実は、核融合の分野では達成するのが常に困難でした。これまでのところ、核融合出力の最大のQ値は、2023年に米国の国立点火施設によって記録された1.89です。これは画期的な出来事ではあったものの、その効果は長くは続かなかった。核融合反応はわずか5.2秒しか続かず、出力エネルギーはわずか3.88メガジュールで、これは1キロワット時の電力にほぼ相当します。また、この実験では、世界で一般的に使用されているトカマク型の磁気閉じ込め技術ではなく、慣性閉じ込めレーザー点火技術が使用されています。

磁気閉じ込め技術によって達成されたQ値は、1997年に英国オックスフォードシャー州カルハム核融合センターの欧州共同トロイダル炉（JET）によって生み出されました。核融合出力のQ値の世界記録はわずか0.67で、これはエネルギー入力が1の場合、結果がわずか0.67であることを意味し、1元を費やしてわずか0.67元の価値がある商品を購入するのに相当します。それは赤字事業です。 2023年10月、JETは0.21mgの燃料を使用し、点火後5.2秒間核融合反応を維持し、69メガジュールのエネルギーを生成した。 2021年には59メガジュールを超える出力を生み出したものの、1997年のQ値記録は破れなかった。

世界中のトカマク装置の実験スターの中でも、日本のJT-60は注目に値する。 2004年には2000万度の温度を31分45秒間維持する記録を樹立し、2006年には1億度の温度を28.6秒間維持する記録を樹立した。それ以前の1997年にはQ値1.25の記録を主張していたが、この記録は重水素と三重水素の反応実験で得られたものであり、実用には使えないとされていた。しかし、少なくとも人々に希望を与え、トカマク装置が理論的には正のエネルギー出力を生み出すことができることを証明しています。

制御された核融合が民生用に本当に実現するのはいつでしょうか?見通しは依然として暗く、進展の遅さから多くの人々が忍耐を失っている。しかし、世界中の科学者たちは諦めず、今も懸命に努力を続けています。その中でも、中国の科学者グループは特に懸命に努力し、世界的な注目を集める目覚ましい成果を達成しました。

トカマク装置による磁場閉じ込め技術では、1995年に米国が記録した5億1000万度と、1996年に日本が記録した5億2200万度が最高温度記録となっている。ただし、この温度が維持された時間は明らかにされていないが、非常に短い時間のはずで、瞬間的に起こった可能性もある。日本のJT-60が記録した31分間のプラズマ閉じ込め維持の記録は、わずか2,000℃の温度でのものでした。 1億度を維持した記録はわずか28.6秒でした。

中国の安徽省合肥市にある「イースタン・スーパー・リング」（正式名称は東部超電導トカマク（EAST））は、2021年5月に1億2000万度を101.2秒間維持する記録を樹立し、同年12月には7000万度を1056秒間維持する記録を樹立した。 2023年4月12日には、これまで破られていない記録となる403秒間の定常高閉じ込めモードプラズマ運転を達成した。 Q値が現在どのくらいになるかに関しては、まだ情報は公開されていません。

さらに、中国政府は制御された核融合研究への投資を継続的に増加させています。米国エネルギー省核融合エネルギー科学局長ポール・アラン氏によれば、中国政府は核融合研究に毎年15億ドルを投資しているが、米国は毎年約8億ドルしか投資していないという。そのため、中国の核融合研究は米国より遅れて始まったものの、そのペースはどんどん速くなっており、これまでに取得した特許の数は他のどの国よりも多くなっています。

現在、中国は安徽省の「東部スーパーリング」が絶えず進歩を遂げているほか、成都に建設されすでに稼働している「中央第3リング」もあり、プラズマ電流100万アンペアの高閉じ込めモード運転を実現している。 BEST トカマク プロジェクトは現在建設中で、2007 年に完了する予定です。また、国際熱核融合実験炉 (ITER) プロジェクトにも多額の投資が行われています。これらの取り組みは急速に進められており、画期的な成果が得られ、世界的な注目を集めています。

中国の核融合応用推進計画は、2028年までに5000万アンペアの核融合発電の稼働を目指している。中国の核融合分野における発展ロードマップでは、2050年頃に商用核融合発電所が建設されることが示されている。そのため、多くの国際機関は、中国政府の投資増加と強力な推進により、制御核融合技術は既存の技術大国を追い越し、世界で初めて商用応用の灯を灯す可能性があるとコメントしている。

核融合産業協会（FIA）が2024年7月に発表した「世界の核融合産業2024：核融合企業調査」によると、世界の大多数の企業が2030年代前半に核融合発電を実現すると予想している。技術ルートでは、磁気閉じ込め技術ルート（23社）が最も多く、他に磁気慣性閉じ込め（5社）、慣性閉じ込め（9社）、磁気・静電ハイブリッド閉じ込め（3社）、磁気慣性閉じ込め（3社）、中間子触媒核融合（1社）、その他非伝統的概念・未指定（3社）などの方式が採用されている。

こうして、かすかな希望は、ますます目に見える形となり、具体的なものとなっていったようだ。近い将来、核融合の光が世界を照らすとき、人類の科学技術文明は新たな段階を迎えることになるでしょう。楽しみにしていましょう。これについてどう思いますか？議論を歓迎します。

これはSpace-Time Communicationからのオリジナル記事です。著者の著作権を尊重してください。読んでいただきありがとうございます。