1565億元！史上最も高額な研究プロジェクトとは、いったい何なのでしょうか?

制御された核融合は太陽の核反応をシミュレートし、理想的なクリーンエネルギー源として考えられています。現在建設中のこの分野で最大の研究開発プロジェクトである国際熱核融合実験炉（ITER）にも大きな期待が寄せられています。これにより、科学者は制御された核融合反応の持続時間を延長し、関連技術をテストし、最終的には安定したエネルギー供給を実現できるようになります。

ITER建設現場、2023年6月2日。画像出典：iter.org

しかし一方で、ITERの建設は工学技術にとって大きな課題でもあります。プロジェクトが始まって以来、開始日は何度も延期され、予算は増加し続けています。最近、サイエンティフィック・アメリカンの記者チャールズ・セイフは、ITERが計画通り2025年に打ち上げられる可能性は低く、正確なスケジュールやそれに伴う予算支出の増加さえ誰も知らないと報じた[1]。

ITERはザイファー氏のインタビュー要請には応じなかったが、最近2024年に新たな計画を発表すると発表した。[2]

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制御された核融合

数十年を経て

ITER実験施設は南フランスにあります。このプロジェクトは2006年に開始され、当初は50億ユーロ（約500億元）の予算で2016年に開始される予定だった。これは人類史上最大規模の科学研究協力プロジェクトの一つでもあり、中国、欧州連合、インド、日本、韓国、ロシア、米国の計35カ国が参加し共同で実施している。中国は、いくつかの主要部品の研究、開発、製造を含むITERの作業の約9％を担当している。

しかし、プロジェクトの複雑さは当初の予想を何度も上回りました。 ITERが最後に計画表を発表したのは2016年で、当時は2025年に実験を開始し、2035年に重水素・三重水素核融合反応を開始する予定だった[3]。サイエンティフィック・アメリカン誌は、ITERの主要コンポーネントの多くが予定より1～2年遅れて納品され、一部はさらに遅れたと報じた。 ITERの中核装置であるトカマク型核融合炉は当初2018年に組み立てが始まる予定だったが、実際の組み立て時期は2020年7月となった。

2020年のCOVID-19パンデミックは世界各国の科学研究、生産、輸送に影響を及ぼし、それがITERの進捗にも影響を及ぼした[4]。一部の部品は設置後に問題が発生する可能性があり、修理または交換が必要になります。 2022年1月、フランス原子力安全機関（ASN）は、支持構造と放射線防護の面で安全基準を満たしていないとして、ITERトカマクの全体的な組み立てを中止した[5]。 ITERは、この問題に対処し、関連する部品が設計要件を満たすようにすると述べた。現時点では、集会がいつ再開されるかについての公開情報はまだありません。

ITER トカマク装置の概略図。画像出典: iter.org

今年1月、ITER所長ピエトロ・バラバスキ氏はAFPに対し、ITERは計画通り2025年に稼働できない可能性があると語った[6]。サイエンティフィック・アメリカンの記者、サイファー氏はITERがプロジェクトの進捗状況を適時に開示していないと批判した。法的なルート（訴訟）を通じて入手した内部文書によると、ITERの完成時期は現在不確定であり、2025年の点火という目標を達成できない可能性があるという。

機器の交換やプロジェクトの遅延により、ITERの経費もますます高額になっており、最新の公的予算は200億ユーロ（約1565億元）に達している。現在、ITERプロジェクトのウェブサイトには、「最新のスケジュールと予算計画はまだ検討中」と記載されています。

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大規模科学プロジェクトのジレンマ

ITERは最大の「人工太陽」としても知られています。制御された核融合の反応原理は太陽内部の原理に似ています。灼熱の温度下で、重水素と三重水素が反応してヘリウムと中性子を生成すると同時に、大量のエネルギーが放出されます。核分裂に基づく既存の原子力技術と比較すると、制御された核融合はより効率的であるだけでなく、放射線汚染のリスクも大幅に低減します。処理が困難な放射性核廃棄物は発生せず、反応条件が厳しいため、装置が故障しても反応は自然に停止します。

しかし、核融合反応が起こるプラズマの温度は非常に高く、その性質は不安定であるため、このプロセスでは反応条件に対して極めて厳しい要件が課せられます。制御された核融合を実現するには、重力閉じ込め、慣性閉じ込め、磁気閉じ込めという 3 つの主な方法があります。磁気閉じ込め制御型核融合装置はトカマク（磁気コイル環状真空室、トカマク）とも呼ばれます。その構造は巨大なドーナツのようなもので、強力な磁場を利用して、容器に直接接触することなく、核融合反応を起こしているプラ​​ズマを内部に閉じ込めます。

完成するとITERは重量23,000トンの世界最大のトカマク装置となる[7]。環状空洞内のプラズマの温度は1億5000万度に達し、これは太陽の中心核の温度の10倍に相当します。空洞の外側にある超伝導磁石は、-270℃（液体ヘリウム温度）に近い極低温で動作する必要があります。このような温度差を説明するには、「氷と火」だけでは不十分です。

中国はITER向け超伝導磁石のフィーダーを加工中だ。これらのコンポーネントは、極低温から室温までの遷移範囲で動作する必要がある[8]。 2021年4月8日に撮影。画像出典：iter.org

このような厳しい実験条件を満たすために、ITER ではエンジニアリング技術と建設コストに対して非常に高い要件が課せられます。そのため、ITER のような大規模な科学プロジェクトは、多くの場合、多国間の協力という形で実施され、研究開発タスクと資金投資を共有し、最終的には研究成果を共有します。しかし、この協力モデルは経営上の課題ももたらし、過剰な支出や度重なる「放棄」も珍しくありません。有名な「王様鳩」はジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）です。これは米国、ヨーロッパ、カナダによって共同開発されました。当初は完成までに10年かかる予定だったが、最終的には20年かかり、予算も10億ドルから100億ドル以上に増加した。

JWSTは2021年末にようやく打ち上げられ、天文学者が多くの新しい発見をするのに役立っています。しかし、サイエンティフィック・アメリカンのレポートは、JWSTは設置後すぐに観測データを提供できるが、ITERは重要な重水素・三重水素核融合反応を実行するために、打ち上げ後10年間にわたって実験を繰り返す必要があることを、皆に思い出さざるを得なかった。

米航空宇宙局（NASA）は5月23日、ウェッブ望遠鏡と他の望遠鏡の観測データを統合したM74銀河の最新画像を公開した。画像提供: NASA

大規模な科学施設の失敗の典型的な例は、おそらく途中で放棄された米国の超伝導超大型加速器（SSC）だろう。このプロジェクトには中国を含む計15の国と地域が参加したが、予算増大のため中止された。この時までに、このプロジェクトには20億ドルが費やされていました。[9]この決定はかつて物理学界に大きな動揺を引き起こした。著名な中国系アメリカ人物理学者、チョン・ダオ・リーは、SSCが閉鎖された日はアメリカ科学史上の暗黒の日だったと語った[9]。

当時、SSCの設計容積と反応エネルギーは、欧州の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の4倍でした。 SSC所長ロイ・シュヴィッタースは、もしこのプロジェクトが継続されていたら、物理学者はヒッグス粒子を10年前に発見していたかもしれないと考えている。[10]

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太陽を作った科学者

ITER プロジェクトは度重なる挫折を経験しているにもかかわらず、制御核融合の分野は近年、依然として多くの大きな進歩を遂げています。 1 つ目は、「純エネルギー利得」を達成することです。つまり、出力エネルギーが入力エネルギーよりも大きくなります。制御された核融合反応の条件は厳しく、反応を開始し維持するには大量のエネルギーが必要です。したがって、過去 60 年間にわたって、反応によって消費されるエネルギーは常に出力を上回ってきました。米国のローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）のチームが状況を好転させたのは、2022年12月になってからだった。

LLNLは慣性閉じ込め技術に基づいて、国立点火施設（NIF）に2.05MJのエネルギーを入力し、3.15MJのエネルギーを生成し、純利益は1を超えました[11]。このエネルギーは水を沸騰させる程度で、応用ニーズを満たすには程遠いものですが、それでも画期的な成果であり、「制御された核融合の聖杯」として称賛されています。将来的には、ITERは出力エネルギーと入力エネルギーの比率を10倍以上に高めることを目指しています。
安定したエネルギー供給の見通しを実現するために、磁気閉じ込め技術に基づく ITER は、反応電力が十分に大きいことという 2 つの条件を満たす必要があります。もう1つは、長期間の動作が可能であることです。これらの分野でも、中国の科学者たちは絶えず記録を更新し続けています。 2022年10月、中国のHL-2M原子炉はプラズマ電流強度の新記録を樹立し、100万アンペア（1メガアンペア）に到達した[12]。理論的には、HL-2M のプラズマ電流能力は 2.5 メガアンペア以上に達する可能性がありますが、将来の制御された核融合エネルギーはメガアンペアの電流で安定して動作する必要があります。

運転時間に関しては、今年4月に中国のEAST（イースタン・スーパー・リング）完全超伝導トカマク型核融合実験装置が定常運転時間の新記録を樹立し、403秒に達し、2017年に記録された101秒という以前の記録を大幅に上回った[13]。 ITER 中国ワーキンググループの重要なメンバーとして、EAST チームの成果は ITER の将来にも貢献することができます。

近年、産業界は制御された核融合にも大きな関心を示しています。ロイター通信によると、米エネルギー省は6月1日、関連企業8社に4,600万ドルの助成金を支給すると発表した。現在、世界中で30社以上の企業が核融合の研究開発に投資しています。例えば、ChatGPTの開発で有名になったOpenAIの創設者サム・アルトマンも核融合企業に投資している[14]。報告書では、政府と資本の強力な支援により、制御核融合産業は2035年から2050年の間に徐々に成熟すると予想されるとしている。

今回、制御核融合の応用は本当に実現するのでしょうか？ ITERが最終的にどこに向かうかはともかく、ITERは超伝導磁石や材料科学など多くの分野で間接的に科学研究の革新を促進し、関係者全員が国際協力やプロジェクト管理などの面で重要な経験を積むこともできる。しかし、プロジェクトが順調に進めば、このような大規模な実験装置は、きっと私たちにさらなる驚きをもたらしてくれるでしょう。

参考文献:

[1] Seife C 2023、「世界最大の核融合プロジェクトが大きな問題に直面、新たな文書が明らかに」、Scientific American、2023年6月29日アクセス。https://www.scientificamerican.com/article/worlds-largest-fusion-project-is-in-big-trouble-new-documents-reveal/

[2] ITER 2023、第32回ITER理事会：ベースラインの更新に焦点を当てる、2023年6月29日にアクセス。https://www.iter.org/newsline/-/3895

[3] ITER機構2016年度年次報告書https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/list_items/Attachments/737/2016_ITER_ANNUAL_REPORT.pdf

[4] ITER 2021、第28回ITER理事会：COVID-19などの課題にもかかわらず着実な進歩、2023年6月29日アクセス。https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/list_items/Attachments/938/2021_06_IC-28.pdf

[5] Perrier G 2022、ITERライセンスの次のステップ、ITER、2023年6月29日アクセス。https://www.iter.org/newsline/-/3727

[6] AFP 2023、国際核融合プロジェクトは数年遅れる可能性があると責任者が認める、ガーディアン、2023年6月29日閲覧。https://www.theguardian.com/science/2023/jan/06/french-nuclear-fusion-project-may-be-delayed-by-years-its-head-admits

[7] ITERトカマク、ITER、2023年6月29日アクセス。https://www.iter.org/mach

[8] 磁石フィーダーシステム、中国国際核融合エネルギー計画実行センター、2023年6月29日アクセス。https://www.iterchina.cn/ctkx/info/2018/12024.html

[9] 知識人2017、「超伝導超大型加速器における国際協力の物語」、中国科学院高エネルギー物理研究所、2023年6月29日閲覧。https://ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201705/t20170504_4783471.html

[10] Joy W 2021、「超伝導超大型加速器：テキサスが世界で最も野心的な科学プロジェクトを獲得した方法とそれが失敗した理由」WFAA、2023年6月29日アクセス。https://www.wfaa.com/article/features/originals/forgotten-texas-history-superconducting-super-collider-waxahachie-texas/287-8757cc57-44ff-4982-a382-65d5d7893c3f

[11] ビショップB 2022、「ローレンス・リバモア国立研究所が核融合点火を達成」、LLNL、2023年6月29日アクセス。https://www.llnl.gov/news/lawrence-livermore-national-laboratory-achieves-fusion-ignition

[12] 2022年、1メガアンペアの放電を突破、わが国の新世代「人工太陽」研究は新たな進歩を遂げた、人民日報オンライン、2023年6月29日閲覧。http://finance.people.com.cn/n1/2022/1021/c1004-32549176.html

[13] 徐其民2023年403秒の新記録、中国の「人工太陽」はいかにして達成されたか、文匯日報、2023年6月29日閲覧。https://www.cas.cn/cm/202304/t20230414_4884009.shtml

[14] ガードナーT 2023、米国、核融合関連企業8社に4,600万ドルの資金提供を発表、ロイター、6月29日アクセス、https://www.reuters.com/business/energy/us-announces-46-million-funds-eight-nuclear-fusion-companies-2023-05-31/

著者: マヤ・ブルー ポピュラーサイエンスクリエイター

査読者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所准研究員