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核融合炉

核融合炉（かくゆうごうろ）は、原子核融合反応を利用した、原子炉の一種。発電の手段として2021年時点では開発段階であり、21世紀前半における実用化が期待される未来技術の一つである。

QUEST（九州大学）
QUESTへの電源供給施設
(マックスプランク・プラズマ物理学研究所)（英語版）のWendelstein 7-X(ヴェンデルシュタイン・ジーベン・イクス)

重い原子であるウランやプルトニウムの原子核分裂反応を利用する核分裂炉に対して、軽い原子である水素やヘリウムによる核融合反応を利用してエネルギーを発生させる装置が核融合炉である。2021年現在、2025年の運転開始を目指し、日本を含む各国が協力して国際熱核融合実験炉ITERのフランスでの建設に向けて関連技術の開発が進められている[1][2]。ITERのように、核融合技術研究の主流のトカマク型の反応炉が高温を利用したものであるので、特に熱核融合炉とも呼ばれることがある。

太陽をはじめとする恒星が輝きを放っているのは、全て核融合反応により発生する熱エネルギーによるものとされている。このため核融合炉は「人工太陽[3]」「地上の太陽」に喩えられる。太陽の場合は1600万℃・2400億気圧という高温高気圧の状態で核融合反応が発生している[4]。

地球上で核融合反応を発生させるためには、人工的に極めて高温か、あるいは極めて高圧の環境を作り出す必要がある。

核融合反応の過程で高速中性子をはじめ様々な高エネルギー粒子の放射が発生するため、その影響を最小限に留める必要がある。そういった安全に反応を継続する技術、プラズマの安定的なコントロールの技術、超伝導電磁石の技術、遠隔操作保守技術、リチウムや重水素、三重水素を扱う技術、プラズマ加熱技術、これらを支える材料や部品、支えるコンピュータ・シミュレーション技術などが必要とされ、開発が進められている。

国際共同研究のITER、中国科学院のような国家プロジェクト[3]に加えて、アメリカ合衆国やカナダ、日本など世界で数十の企業が核融合炉やその部品などの開発に取り組んでいる[5]。

国際プロジェクト

大型核融合装置として、核融合実証炉ITERが建設中である。またITERを補完する実証装置であるJT-60SA[6]が2023年夏に稼働予定[7]。

核融合反応

「原子核融合」も参照

原子番号28ぐらいまでの軽い元素では、核子一個あたりの結合エネルギーが比較的小さいので、原子核融合によって余分なエネルギーが放出される可能性がある。しかし、原子核の電荷が互いに反発して反応を阻害するため、実際にエネルギーを取り出して利用できるような形で反応を起こすことが可能なのは、電荷がごく小さい水素やリチウムなどに限られると見られている。実際に核融合反応で発電するためには、原子核が毎秒1000 km以上の速度でぶつかりあう必要がある。プラズマの温度を高くするために外部から加えたエネルギーと核融合反応により発生したエネルギーが等しくなる条件を「臨界プラズマ条件」と呼び、D-T反応（重水素と三重水素の反応）では「発電炉内でプラズマ温度1億℃以上、密度100兆個/cm3とし、さらに1秒間以上閉じ込めることが条件」と、いうことになる。2007年10月時点、この条件自体は(JT-60)及びJET（欧州トーラス共同研究施設）で到達したとされているが、発電炉として使用出来るまでの持続時間等には壁は高く、炉として実用可能な自己点火条件と言われる条件を目指し挑戦がつづいている。

利点

  • 核分裂による原子力発電と同様、温暖化ガスである二酸化炭素の排出がない[5]。
  • 核分裂反応のような連鎖反応がなく、暴走が原理的に生じない。
  • 海水中に1/7000の割合で存在する[8]重水素を利用できる。
  • 原子力発電で問題となる(高レベル放射性廃棄物)が継続的にはあまり生じない（もっとも古くなって交換されるダイバータやブランケットといったプラズマ対向機器は高い放射能を持つことになる。ただし開発が進められている低放射化材料を炉壁に利用することにより、放射性廃棄物の浅地処分やリサイクリングが可能となる）。
  • 従来型原子炉での運転休止中の残留熱除去系のエネルギー損失や、その機能喪失時の炉心溶融リスクがない。

などが挙げられる。

欠点

  • 超高温で超高真空という物理的な条件により、実験段階から実用段階に至る全てが巨大施設を必要とするため、莫大な予算がかかる。
  • 炉壁などの放射化への問題解決が求められる(後述)。

コスト

発電所の寿命を30年、割引率2%で試算すると、5.4円〜7.6円/kWhと見積もられている[9]。

安全性・危険性

反応の停止
核融合反応は核分裂反応と違って反応を維持するのが技術的に大変困難であり、あらゆる装置の不具合や少しの調整ミスが自動的に核融合反応の停止に結びつき、簡単には反応を再開出来ない。これはむしろ安全にとっては良い特性であり、現在の核分裂を使った商業用原子炉の根本的な危険性とは無縁である。
放射性廃棄物
核融合反応で発生する中性子は、核融合炉壁及び建造物を放射化する。放射化された核融合炉周辺の機械装置や建物が安全に本来の機能を発揮出来るような設計が求められる。たとえばITERにおいては2万トンの低レベル放射性廃棄物を発生させると推測されている（東海発電所の廃止措置に伴う物と同程度の量）。今後建設されるそれらの建物はすぐに廃棄できず既存の原子炉と同様30年程度の冷却期間が必要だと予想される。地層処分などの問題は現在の原子炉と同じ様に、費用の問題や環境汚染対策が必要である。
古くなったダイバータやブランケットは定期的に放射性廃棄物として発生するのでこれらの処理も必要となる。これらの発生頻度を最小化する部材技術の開発が求められる。また、三重水素の燃料化プロセスでも放射性廃棄物への配慮が必要となる。
三重水素の放射性
三重水素は放射性物質であり正しく管理される必要がある。特に環境への漏洩阻止は重要である。三重水素は容易に通常の水素と置き換わるので、漏洩した場合には三重水素を含む水や有機物が自然界で生じ、これらは生物の体内に容易に取り込まれる。三重水素水が生物に取り込まれた場合、通常の水と化学的な相違点は僅かであるため特定の臓器などに蓄積されたり体内で濃縮されたりする事はほとんどなく、通常の水と同じように排出される。生物が三重水素水を取り込んだ場合に半分が排出されるまでの時間（(生物学的半減期)）は、人の場合10日から14日程度とされる。また、三重水素を含む有機物を取り込んだ場合には、その有機物に見合った蓄積性と濃縮性を示す。ただし、三重水素は拡散しやすいため一点に留まらず、また水素が地球上に遍在するために三重水素が環境に放出されても希釈が早く、生物濃縮なども受けにくい。このため、特定の食品などに濃縮されることなどは考えにくい。
三重水素の核兵器への転用
三重水素は初期の核融合爆弾にも用いられたが、後に、入手性/取り扱いともにより容易な重水素化リチウムを原料として使用するテラー・ウラム型水素爆弾が使用されるようになったため、わざわざ三重水素が水爆に利用されることは考えにくい。また、現在の技術では核融合爆弾の起爆には原子爆弾を用いる外に手段が無いため、既存の核保有国以外が製造することは容易ではない。ただし、重水素とトリチウムのD-T反応を利用して原子爆弾の威力を増すブースト型核分裂兵器やD-T反応で放出される中性子をもちいる中性子爆弾の原料として利用される。また、通常の放射性物質同様、三重水素を原料にした汚い爆弾は容易に作ることができるがエネルギーが低いため皮膚すら貫通できず、他の材料を使った汚い爆弾に比べると実害は少ないとされる。
運転中の放射線
核融合炉の運転中はプラズマから強烈な中性子線が放射されるため、様々な防護措置をとってもある程度漏れることが予想されている。現状、ITERで予定される運転中の放射線は、敷地境界で1年間に約0.1ミリシーベルト以下と自然放射線の10分の1に当たる量である。
超伝導電磁石
超伝導電磁石とそれを支える構造支持体は運転中に連続して大きな力を受け続け、起動や停止時にはその変化に応じた力学的ストレスを受ける。また異常に応じて磁力を突然切る場合は、瞬間的に大きな変化に耐えねばならず、中性子を浴び続ける構造支持体が脆化しても支えきれるだけの安全度を確保することが求められる。

核反応

核融合炉において、使用が検討されている反応は主に以下の3つである。なお、以下 Dは重水素、Tは三重水素（トリチウム）、pは水素原子核、nは中性子、Heはヘリウムである。

D-D反応

 
 

自然界でも原始星で起きている反応の一つである。地球上の水素全体の中での存在割合は、軽水素が99.985 %、重水素は比率としては0.015 %と僅かではあるが自然界に普通に存在し、主な水素の存在形態である水自体が自然界に無尽蔵に近いほど存在するため、重水素もほぼ無尽蔵に得られる。核融合炉として使用する場合、資源の入手性が非常に良いが、D-T反応の10倍厳しい反応条件を達成する必要がある。D-D反応で生ずるトリチウム、ヘリウム3 をその場で燃焼させる触媒式D-D反応が検討されている。D-D反応を用いた核融合炉が実用化されれば、「プラズマ→電気」という直接的なエネルギー変換が可能なMHD発電も期待できる。なお、JT-60を含む多くの核融合開発を目的とした実験装置において、重水素を使う実験が行われている結果、この反応が起きている。もちろん、投入エネルギーを回収出来る程ではない。

D-T反応

 
D-T反応
 

反応条件が緩やかで、最も早く実用化が見込まれている反応である。この反応によって放出されるエネルギーは同じ質量のウランによる核分裂反応のおよそ4.5倍、石油を燃やして得られるエネルギーの800万倍に達する。核融合炉として使用する場合トリチウムの入手性に課題がある。トリチウムは、自然界においては大気の上層でわずかに生成されるのみであり、半減期の短い放射性物質であるため事実上採取は不可能である。また、高速中性子が生成するため、炉の材質も検討が必要となる。現在検討されているトリチウム入手法は、核融合炉の周囲をリチウムブランケットで囲み炉から放出される高速中性子を減速させつつ核反応を起こし、

 
 

トリチウムを得ることである。このときブランケットは高速中性子を減速して遮蔽し、燃料を生産し、反応熱を取り出すと言う3つの役割をすることになる。欧州トーラス共同研究施設およびTFTRにおいてはこの反応を主反応とするような実験が行われた。出力100MW（10万kW）の場合、消費する燃料（重水素と三重水素）は1年間で約25 kgあれば充分である。

D- He反応

 

イオン温度が10億度の条件において、反応断面積がD-D反応の5 - 6倍程度の条件とD-T反応程ではないが比較的起こりやすく、発生するエネルギーも荷電粒子である陽子が担い放射性物質も出ないので炉が扱いやすいこと（ただし副反応のD-D反応で中性子が発生する）と、直接電力にエネルギーを変換することが可能なことで注目されている反応である。しかしながら、地球上にはヘリウム3がほとんど存在しないことが大きな問題である。アポロ計画の探査の結果太陽風により月には大量のヘリウム3が存在することが明らかになったが、実用化は非常に遠いと見られる。中華人民共和国の月探査計画はヘリウム3採取を最終目的にしている。

核融合反応の候補

下記の核融合反応が核融合炉で利用可能と考えられている。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

（カッコ内は反応生成物のエネルギー MeV）[10]

現状と問題点

高温のプラズマが飛び去っていかないで安定的に維持されるためには、何らかの封じ込めが必要である。太陽は重力による封じ込めをおこなっており、地球上では磁場による封じ込め（トカマク型・ヘリカル型）レーザーによる封じ込めがある[11]。

現在最も研究が進んでいるのは、磁気閉じ込め方式の一種であるトカマク型であり、現在計画中のITER（国際熱核融合実験炉）もこの方式を用いている。核融合の際に発生する中性子が炉壁などを傷つけるためにその構成材質の耐久力が問題となるとの指摘がある。とりわけITERでは前述の「D-D反応」よりも反応断面積が約100倍大きい「D-T反応」を用いる計画であるが、D-T反応では高速中性子が発生する。

この高速中性子により炉の構成材内部では使用温度等にも依存するが、「照射脆化」が進行する場合がある。つまり原子が弾き飛ばされ材料内部に「原子空孔」（vacancy）や「格子間原子」が生じ（「フレンケル対」）、弾き出しが連鎖衝突した結果発生するつながった「格子欠陥」（「カスケード損傷」）により、これらの点欠陥集合体や析出物の形成等が生じることによって材料の降伏強度が低まるに伴い脆くなる。また構成材の原子が核変換を起こし発生したヘリウムガスが原子空孔と結びつくことによって材料の内部に空洞を形成し膨張する問題（スウェリング）も発生する場合がある。こういった劣化が一定以上進めば、もはや十分な耐久性を維持出来ないために交換を必要とする。また、脆化以外にも材料が放射化することから、低レベル放射性廃棄物が生成する問題も挙げられているが、低放射化フェライト鋼を用いることでITERのテストブランケットの構造材料は目処がたっている。[12]また、構成材内部とは別に炉壁表面でも問題が生じる。プラズマイオンが炉壁に衝突すると「物理スパッタリング」と呼ばれる炉壁材料原子のはじき出しが起こる。炉壁面に炭素素材を使用すると、水素同位体の入射でメタンやエチレンなどの炭化水素が発生して、炉壁が損耗する化学スパッタリングという現象も起こる。

その他、各種の閉じ込め方式があり、それぞれ各国で研究が進められている。日本では、核融合研究の中心は日本原子力研究所の「JT-60」（トカマク型）、核融合科学研究所などで進めているLHD(ヘリカル型)と、大阪大学で研究が進んでいるレーザー核融合である。

圧力の低いプラズマを保持することは比較的容易であるが、エネルギーとして利用可能な程度の圧力のプラズマを保持するのは難しく、前述のJT-60で、高圧力プラズマの保持時間は30秒程度である（この30秒という時間は加熱装置である中性粒子ビーム入射装置の稼働時間の上限で決まっている。現在ITERのために1000秒以上稼働できる装置を開発中である。）。また、保持のために投入するエネルギーに比較して反応により得られるエネルギーはまだ小さく（エネルギー増倍率（Q値） - 1.25）、世界の各種装置で核融合利得1を若干超える程度である。これらの課題については、ITERで研究が進められる予定である（ITERの目標値はQ値 - 10）。[13]

実用化に向けて

「核融合エネルギー」も参照


核融合炉の研究は1940年代から始まった。

1998年8月7日、量子科学技術研究開発機構のJT-60は、重水素プラズマ試験において、重水素×三重水素換算で、エネルギー増倍率Q=1.25の出力を確認した[14]。

小型核融合炉について、米国のロッキード・マーチン社は2014年10月16日、10年以内にトラックに積み込める大きさの100メガワット級商用小型核融合炉を開発すると発表した[15]。2013年2月7日に発表された高ベータ核融合炉の続報である。

2015年、九州大学と核融合科学研究所は、それまで理論的には予想されていながら実験で確認されていなかったプラズマの流れが磁場の乱れによって脆弱化する現象の観測に成功した[16]。

2016年3月18日、文部科学省は現在の実証炉ITER（イーター）以降の次世代炉を三菱重工・東芝(東芝エネルギーシステムズ)と共同で研究し2035年頃の建設を目指す予定と日本経済新聞が報じた[17]

2017年8月9日、岐阜県土岐市にある核融合科学研究所は大型ヘリカル装置（LHD / 超伝導核融合プラズマ実験装置）を使った実験で、世界で初めてプラズマ中のイオン温度を核融合発電に必要とされる1億2000万℃まで達成させることに成功したと発表した。再現実験も行い、恒常的にプラズマ温度を1億2000万℃まで引き上げられることも確認したという。今後は高密度化などによりさらに高性能なプラズマの生成を目指し、今世紀半ばには核融合発電を実現したいとしている[18][19][20]。

2018年3月9日、米国マサチューセッツ工科大学（MIT）が企業と協力して、発電可能な核融合炉を15年以内に建設する計画を発表した[21]。

2021年12月30日、中国科学院合肥物質科学研究院プラズマ物理研究所が、プラズマ維持時間1056秒の世界最長記録を達成したと主張[22]。

2022年12月5日、米国ローレンスリバモア国立研究所の国立点火施設で、192本の紫外線レーザーで2.05 メガジュール (MJ) のエネルギーを供給することで核融合のしきい値を超え、3.15 MJ の核融合エネルギー出力が得られたと発表された[23]。

スタートアップの動き

  • 2022年3月10日トカマク・エナジー（英国）がプラズマ温度1億℃を達成。球状トカマク型。2030年代初頭の核融合パイロットプラントの運転開始を目指している。[24] 出資金額は約76億円。
  • コモンウェルス・ヒュージョン・システムズ（米国）。2030年代初期までに商用化を目指す。[25] 小型のトカマク型の実証装置を2025年に向け建設中。[26]
  • ジェネラル・ヒュージョン（加）。磁化標的核融合炉。実証プラントを2025年稼働予定。[27]
  • ヘリオンエナジー（米）。2021年7月商用核融合炉を着工。[28]
  • TAEテクノロジー（米）。逆転磁場配位型炉。2030年迄にプロトタイプ炉の稼働を目指している。[29]
  • Helical Fusion（日）。ヘリカル型。[30]大型ヘリカル装置(LHD)による実験を行っている[31]、核融合科学研究所の研究者らによるスタートアップ[32]。

核融合炉の種類

脚注

[脚注の使い方]
  1. ^ “ITER計画：2025年の運転開始に向けトカマク建屋の土木工事が完了”. 日本原子力産業協会 (2019年11月13日). 2020年7月29日閲覧。
  2. ^ “新エネルギー源「ITER計画」核融合炉の組み立て開始”. 日本放送協会 (2020年7月29日). 2020年7月29日閲覧。
  3. ^ a b 1億度で100秒 中国の「人工太陽」、新たな高みへ AFPBB（2021年3月30日配信）2021年5月13日閲覧
  4. ^ “国立科学博物館-宇宙の質問箱-太陽編”. www.kahaku.go.jp. 2022年6月12日閲覧。
  5. ^ a b 『日経産業新聞』2021年5月11日1面「核融合炉 新興にも商機／京大発、主要な消耗品開発 民間イノベーションの芽」
  6. ^ “JT-60SA計画とは - 量子科学技術研究開発機構”. www.qst.go.jp. 2022年6月12日閲覧。
  7. ^ “JT-60SA統合試験運転 - 量子科学技術研究開発機構”. www.qst.go.jp (2022年1月6日). 2023年3月3日閲覧。
  8. ^ “ユーレイによる重水素の発見 (16-03-03-05) - ATOMICA -”. atomica.jaea.go.jp. 2022年6月12日閲覧。
  9. ^ “核融合炉は手の届く所にある―必要な投資額は、発電コストは？”. キヤノングローバル戦略研究所. 2022年6月12日閲覧。
  10. ^ 関昌弘編『核融合炉工学概論』日刊工業新聞社 (ISBN 4-526-04799-6)
  11. ^ “プラズマ中の"揺らぎ"を診る ~ 核融合発電実現に向けて~”. Laborify (2020年5月9日). 2022年6月12日閲覧。
  12. ^ プロジェクトレビュー ITER 計画の機器開発・製作の進展 １０．ITER テストブランケット計画 (PDF) 河村繕範ら,　J. Plasma Fusion Res. 92, 444 (2016)
  13. ^ ITERの設計とは？
  14. ^ “1.25倍の核融合出力を達成”. www.qst.go.jp. 2022年12月16日閲覧。
  15. ^ “米ロッキード、10年以内に小型核融合炉実用化へ （ロイター）”. Yahoo!ニュース BUSINESS. 2014年10月19日閲覧。
  16. ^ 「九州大学と核融合科学研究所、磁場の乱れ影響を観測」『日本経済新聞』2015年1月19日
  17. ^ “核融合炉、国内で研究　文科省が三菱重・東芝などと”. 日経新聞. 2016年3月18日閲覧。
  18. ^ “核融合発電の実用化を目指し1億2000万℃を達成”. メ〜テレ（名古屋テレビ）. (2017年8月9日). https://www.nagoyatv.com/news/?id=170759&p=3 
  19. ^ “プラズマ1億2000万度 核融研、目標温度に到達”. 岐阜新聞. (2017年8月10日). http://www.gifu-np.co.jp/news/kennai/20170810/201708100904_30238.shtml 
  20. ^ “核融合研、核融合炉の実用化に不可欠なイオン温度1億2000万度を達成”. 財経新聞. (2017年8月11日). http://www.zaikei.co.jp/article/20170811/391599.html 
  21. ^ MIT and newly formed company launch novel approach to fusion power. Goal is for research to produce a working pilot plant within 15 years. MIT News（March 9, 2018）2018年3月28日閲覧
  22. ^ “中国の「人工太陽」、プラズマ維持時間１０５６秒を記録　世界最長”. jp.news.cn. 2022年5月10日閲覧。
  23. ^ “国立点火施設が核融合点火を実現”. www.llnl.gov. 2022年12月16日閲覧。
  24. ^ 崇志, 三ツ村 (2022年3月10日). “イギリスの核融合ベンチャー、トカマク・エナジー。民間初・プラズマ温度｢1億度｣達成”. BUSINESS INSIDER JAPAN. 2022年5月10日閲覧。
  25. ^ “実用的な核融合炉”. MITテクノロジーレビュー. 2022年5月10日閲覧。
  26. ^ Petroni, Giulia. “核融合エネの実現近いか 投資マネー呼ぶ”. WSJ Japan. 2022年5月10日閲覧。
  27. ^ “近未来テクノロジー見聞録(8) ジェフベゾスも出資の核融合ベンチャーGeneralFusionが実証プラントを建設”. TECH+ (2021年6月28日). 2022年5月10日閲覧。
  28. ^ “ゼロカーボン電力の時代を切り開く――米Helionが初の商用核融合施設を着工 - fabcross for エンジニア”. fabcross for エンジニア - エンジニアのためのキャリア応援マガジン (2021年9月8日). 2022年5月10日閲覧。
  29. ^ Nast, Condé (2020年3月29日). “世界初の「核融合スタートアップ」を支える、ある日本人科学者の肖像”. WIRED.jp. 2022年5月10日閲覧。
  30. ^ “【日本初】磁場閉じ込め方式で商用核融合炉の開発を目指すフルスタック核融合スタートアップ「株式会社Helical Fusion」を設立”. プレスリリース・ニュースリリース配信シェアNo.1｜PR TIMES. 2022年6月12日閲覧。
  31. ^ “大型ヘリカル装置計画 / 核融合科学研究所”. www-lhd.nifs.ac.jp. 2022年6月12日閲覧。
  32. ^ “Team”. Helical Fusion. 2022年6月12日閲覧。
  33. ^ Huge pulsed power machine enters fusion arena Z produces fusion neutrons, Sandia scientists confirm

参考資料

  • 『最新核エネルギー論 エネルギー技術としての「核分裂」と「核融合」』学習研究社、1990年4月1日発行
  • 『プラズマエネルギーのすべて』日本実業出版社、2007年3月1日発行

関連項目

外部リンク

  • 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
  • 九州大学応用力学研究所高温プラズマ力学研究センター
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