はじめに

フュージョン（核融合）エネルギーは、以下の特長を有しており、エネルギー問題と環境問題を同時に解決するエネルギー源として期待されている。

・ 燃料が海水中に豊富に含まれている

・ 燃料1g から、石油8トンを燃焼した時に相当するエネルギーが得られる

・ 高レベル放射性廃棄物を出さない

・ 燃料や電源の供給がなくなると反応が止まるため安全

・ 反応によって生じるものはヘリウムガスと中性子であり、二酸化炭素を発生しない

世界で唯一の巨大な実験炉ITER（イーター）本体の建設が2020年に開始されている状況を踏まえ、本特集ではITER計画と日本が調達責任を有する機器の開発と調達の現状について解説する。

核分裂とフュージョンエネルギーの違い

原子炉の中には、数年間の運転が可能な燃料があらかじめ装荷されている。放射性元素であるウランは、一定の確率で自然に分裂して複数の中性子を放出するが、原子炉を運転していない場合は制御棒によって中性子を吸収することで近くのウランに中性子が衝突しないようにしている。原子炉を運転する場合は、ウランの分裂により生じた中性子が、近くのウランに衝突して新たな中性子を発生し、それがまた別のウランに衝突するという、連鎖反応が一定になるように制御棒を調節している。燃料が原子炉内に装荷されているため、冷却水がなくなってしまったり、連鎖反応を制御できなくなってしまったりすると、事故につながる恐れがある。

フュージョンエネルギーの場合、燃料は重水素と三重水素だが、重水素イオンと三重水素イオンはどちらも正の電荷を持っており、近づくと互いに反発するため、重水素と三重水素をただ混ぜても核融合反応は起こらない。この反発力に打ち勝って融合させるためには、燃料である重水素と三重水素の原子核の温度を数億度まで高めることが必要になる。そのような状態を維持することによって、重水素と三重水素が融合して、ヘリウムと中性子が生成される。このときに発生するエネルギーのうち、20%がヘリウムの運動エネルギーとして、80%が中性子の運動エネルギーとして放出される。

原子炉と比較した場合、フュージョンエネルギー固有の安全性を示す、以下の特長を持つ。①どちらも反応後に中性子が発生するが、原子炉では中性子を介した連鎖反応を用いているのに対して、フュージョンエネルギーでは反応後に生成されたヘリウムと中性子は、次の核融合反応に無関係。②フュージョンエネルギーでは、炉の中に燃料が装荷されているのではなく、必要な燃料をその都度外部から供給する。そのため、燃料の供給を止めれば反応も止まる。③燃料の温度を数億度にしないと核融合反応は起きないので、加熱を止めれば反応も止まる。④核融合反応後に生成されるものはヘリウムと中性子のみであり、原子力発電所の使用済み燃料のような高レベル放射性廃棄物はでない。

なお、フュージョンエネルギーでは高レベル放射性廃棄物は発生しないが、まったく廃棄物がでないわけではなく、核融合反応で生じた中性子を受け止めるブランケットなどの構造物に吸収されることで、構造物が放射化し、低レベルの放射性廃棄物が発生する。低レベルの放射性廃棄物の大部分は、約50年間程度保管すれば放射能は低下し、クリアランス廃棄物としてリサイクルもしくは処分が可能。クリアランスできない廃棄物は、地表近くの地下5-10mに埋設処分（浅地中処分）か、地下50-100mに埋設処分（余裕深度処分）かになる。

フュージョンエネルギーを用いた発電システム

フュージョンエネルギーを用いて発電するシステムについて説明する。核融合反応を起こすために燃料を数億度にまで加熱する必要があるが、ITERのようなトカマク装置では、高温のプラズマを閉じ込めるために、磁力線を用いている。高温になった燃料は、原子核と電子がバラバラになったプラズマ状態になっているので、フレミングの左手の法則に従って磁力線の周りで回転するため、空中に浮かせることができる。図1（上）のように、コイルをドーナツ型に並べて端をなくすとともに、プラズマの中に電流を流すことにより、プラズマの中の電流が作る磁場とドーナツ型に並んだコイル（今後、トロイダル磁場コイルと呼ぶ）が作る磁場が合成され、プラズマを閉じ込める性能に優れた捻じれた磁力線の籠を作ることができる。これがトカマク方式である。

トカマク方式以外にも、捻じれたコイルを用いることで捻じれた磁力線の籠を作るヘリカル方式や、燃料ペレットを大強度レーザーで瞬間的に加熱・蒸発させて中の燃料を爆縮する慣性核融合の研究も進められているが、日本ではトカマク型の原型炉を建設する方針が文部科学省の核融合科学技術委員会で策定されたロードマップ^（1）に示されている。

フュージョンエネルギーを用いた発電システムの概念図を図1（下）に示す。ドーナツ型をした金属製容器の中に燃料（重水素と三重水素）を入れて、加熱装置で温めることで核融合反応を発生させる。核融合反応で生じたエネルギーの80%は中性子の運動エネルギーになるので、プラズマを取り囲むように設置されているブランケットで中性子を受け止めて、運動エネルギーを熱に変換する。ブランケットに張り巡らせている一次冷却水でこの熱を回収し、二次冷却水を蒸気にしてタービンを回して発電するため、熱を電気に変換する部分は原子力発電所と同じである。

図1　（上）トカマク装置における捻じれた磁力線の籠の作り方（下）フュージョンエネルギーを用いた発電システムの概念図

燃料の入手方法にも、フュージョンエネルギーには特長がある。重水素については1トンの海水中に33g含まれているので、そこから取り出すことが可能。三重水素は自然界にわずかにしか存在していないので、核融合反応で生じた中性子をうまく利用して三重水素を作る。ブランケットの中にリチウムを入れておくことで、中性子がリチウムに衝突した際、ヘリウムと三重水素が生成できる。この三重水素を回収して、燃料として利用する。

プラズマを加熱するための装置にはいくつか種類があるが、よく用いられる装置が2種類ある。一つは、電子レンジと同じように、電波を使ってプラズマを温める高周波加熱装置であり、100-200GHz程度の周波数の電磁波を使うと、磁力線に巻き付いている電子を温めることができる。もう一つは、燃料と同じ水素を加速器で加速して50-100億度の水素ビームを作り、それをプラズマに入射する中性粒子入射加熱装置（NBI）である。ぬるくなったお風呂を温めるのに、熱いお湯を少し入れる高温差し湯のイメージである。

フュージョンエネルギーの実現に向けて

大型装置であるJT-60やJETにおいて臨界プラズマ条件（Q＝1）が達成され、フュージョンエネルギーの科学的実現性が確認されたことを踏まえ、数10万kWの電気出力を系統に供給して発電実証を行う原型炉の運転を今世紀中葉に開始することを目標に、図2に示すような道筋に沿って、段階的に研究開発を進めている。フュージョンエネルギー実現に向けた課題はいくつかあるが、ここでは大きく三つを取り上げる。

一つ目の課題は、重水素と三重水素の実燃料を用いて、エネルギー増倍率が1以上（Q≧1）の核融合反応を安定に維持できることを実証することである。ITERでは、世界各国のトカマク装置の実験データを基に、国際共同データ解析によってスケーリング則を導出し、50万kWの熱出力（Q≧10）が得られる設計となっている。

図2　フュージョンエネルギー実現への道筋

ITERの建設では、主要機器の製作を各極（ITER事業参加極：日本、EU、米国、韓国、中国、ロシア、インド）が分担し、ITERサイトにおける組立をITER機構が分担するという、物納貢献方式が採用されている。これまでに、高さ16.5m、幅9mという世界最大の超伝導コイルであるトロイダル磁場コイルを、公差1mm以下の高精度加工を実現し、9機全数の製作を完了するなど、計画通りに調達を進めている。

ITERにおいて重水素と三重水素の実燃料による核融合燃焼が実証できれば、原型炉を設計することが可能である。原型炉はITERの数倍の熱出力が必要になるので、ITERのプラズマ性能に基づいて設計すると、ITERよりも大きくなってしまう。フュージョンエネルギーが社会に受け入れられるためには、発電コストを抑えた原型炉を設計することが重要になるため、ITERより、縦・横・高さがすべて1/2サイズの超伝導トカマクJT-60SAを建設し、ITERよりも効率の良い運転手法を開発する計画である。フュージョンエネルギーはプラズマ圧力指数の2乗に比例するので、JT-60SAにおいてどこまで大きなプラズマ圧力指数の運転が可能であるかを見極めて、原型炉の設計に反映することで、原型炉のサイズを最適化する予定である。JT-60SAは、2020年3月に組立が完了し、順を追って各機器の健全性を確認しつつ動作させる統合試験運転を実施しており、2023年10月に初プラズマを達成した。

二つ目の課題は、核融合で発生したエネルギーの取り出しである。核融合反応で生じた高速の中性子は、ブランケットによって受け止めることで、運動エネルギーを熱エネルギーに変換する。ブランケットの構造材料は高速中性子の照射にさらされるので、構造材料の寿命がどの程度かを評価することが重要である。核融合反応で生じる中性子は、原子炉における核分裂反応で生じる中性子よりもエネルギーが高く、構造材料への影響の与え方が異なると予想されているため、エネルギーの高い中性子を作ることができる専用の施設として核融合材料照射施設の設計などを進めるとともに、この施設に必要な大電流の加速器などのR&Dを進めている。現在、125mAの重陽子ビームを生成する入射器と、重陽子を5MeVまで加速できる高周波四重極加速器を組み合わせた試験を実施している。これまでに、125mA, 5MeVの短パルス重陽子ビームの生成に成功し、現在長パルス試験を実施中である。今後、超伝導高周波加速器を追加し、125mA, 9MeVの定常重陽子ビームを生成することが目標である。

三つ目の課題は、核融合炉の燃料である三重水素の生成を実証することである。ブランケットでは、リチウムに中性子を当てて三重水素を作り出す。図1（下）の例では、核融合反応で生じた1個の中性子が、ブランケット内のリチウムに当たることで1個の三重水素を作る。この三重水素を取り出して、燃料として次の核融合反応に使うことになるので、リチウムに当たらない中性子があったり、三重水素が全量回収できなかったりすると、三重水素の量が徐々に減ってしまう。そのため、ブランケットでは、中性子の数を増やすことができるベリリウムを中性子増倍材として入れることで、使用した三重水素よりも多くの三重水素を生成する計画である。このような燃料生成のコンセプトが成立することを確認するため、原型炉ブランケットの燃料増殖機能を模擬したテストブランケットモジュール（TBM）を作成し、ITERに設置して試験をする計画がTBM計画である。

フュージョンエネルギーのある社会

地球温暖化対策として、温室効果ガスの排出量を実質ゼロにするカーボンニュートラルを2050年に達成することを各国は目指している。一方、前述の通り、フュージョンエネルギーの発電実証は今世紀中葉を目標としているので、2050年のカーボンニュートラル実現に直接貢献することは難しい。しかし、2050年以降であれば、カーボンニュートラルを維持することに貢献できる可能性がある。

ITERから原型炉、そして商用炉初号基から量産型商用炉に向けては、定常運転化・稼働率向上、高出力化、小型化、保守性向上、簡素化、そして製造方法における効率化と先進設計が、核融合発電炉の設備費低減に向けて重要となる。図3では、2100年の発電コストが132$/MWhになる条件にて評価した結果を示しており、石油、石炭、ガスに依存しているエネルギーミックスが、21世紀後半にはCO₂回収・貯留（CCS）付きを含めた石炭・石油・ガス火力、原子力、再生可能エネルギー、二次エネルギー輸入（水素、バイオ燃料）、フュージョンエネルギーに転換しうるとの分析結果が得られている。

フュージョンエネルギーの研究開発によって、すぐにでも社会に還元可能な新しい技術も生み出されている。フュージョンエネルギーの燃料である三重水素を作り出すためには、海水などからリチウムを回収する技術が必要になる。リチウムを選択的に透過するイオン伝導体を用いた回収技術を新たに開発し、車載用リチウムイオン電池から電池原料の超高純度リチウムを低コストで回収できる見通しを得ている。また、同じく三重水素を作り出すために必要なベリリウムを精製するための技術として、アルカリ溶融技術とマイクロ波加熱を組み合わせることにより、溶融に必要なエネルギーを従来法の1/1,000に飛躍的に低減し、常圧下で溶解することにも成功している。この技術は、ベリリウムだけでなく、他のレアメタル精製にも応用可能であり、エネルギーを大量に消費する高温処理を必要としない精製プラントの実用化が期待されている。フュージョンエネルギーによる発電だけでなく、関連技術の産業化を通して、持続可能な循環型社会の早期実現に貢献していきたい。

図3　2050年にフュージョンエネルギーが電力市場に参入した場合のエネルギーミックスを評価した一例

---

参考文献

（1） 原型炉研究開発ロードマップについて（一次まとめ）, 文部科学省,
https://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu2/074/houkoku/1408259.htm（参照日：令和5年11月15日）.

---

石田 真一

◎量子科学技術研究開発機構　量子エネルギー部門　部門長
◎専門：プラズマ物理、核融合工学

 

大山 直幸

◎量子科学技術研究開発機構　量子エネルギー部門　研究企画部長
◎専門：核融合学、プラズマ科学