多くの核融合科学者が聞き飽きてきた古い冗談がある。実用的な核融合発電所は、あと30年で実現する——そして、これからもそうであり続ける、というものだ。
しかし今、ついにこの冗談はもはや当てはまらないかもしれない。磁石技術の進歩により、MITの研究者たちは実用的なコンパクト型トカマク核融合炉の新しい設計を提案することが可能になった。研究者らによれば、その炉はわずか10年ほどで実現しうるという。ほぼ無尽蔵のエネルギー資源をもたらしうる実用的な核融合発電の時代は、近づいているのかもしれない。
市販されている新しい超伝導体である希土類バリウム銅酸化物（REBCO）超伝導テープを用いて高磁場コイルを製造することは、「設計全体に波及する」と、MITの原子力科学工学の教授であり、MITプラズマ科学・核融合センターの所長でもあるデニス・ホワイトは述べる。「全体を一変させるものだ」。
より強力な磁場により、超高温プラズマ（核融合反応の作動物質）に必要な磁気閉じ込めを、これまで想定されていたものよりはるかに小型の装置で実現することが可能になる。小型化はシステム全体の建設費を抑え、建設期間の短縮にもつながり、発電所設計における独創的な新機能の実現も可能にする。広く研究されているトカマク（ドーナツ型）形状を採用した提案炉は、学術誌 Fusion Engineering and Designに掲載された論文で説明されており、その論文はホワイト、博士課程学生のブランドン・ソーボム、そしてMITのほか11名との共著である。この論文は、ホワイトが担当した授業の設計課題として始まり、授業終了後に学生主導のプロジェクトへと発展した。
発電所プロトタイプ
この新しい原子炉は、核融合の基礎研究を目的として設計されているとともに、大きな出力を生み出しうる発電所プロトタイプとしての可能性も持つ。研究チームによれば、基本的な炉の概念およびそれに関連する要素は、MITおよび世界中で数十年にわたる研究を通じて開発された、十分に検証済みの確立された原理に基づいているという。
「はるかに高い磁場によって、はるかに高い性能を実現できる」とソーボムは述べる。
太陽にエネルギーを供給する核反応である核融合は、水素原子の対を融合させてヘリウムを生成するもので、その際に膨大なエネルギーが放出される。困難な点は、超高温プラズマ（電荷を帯びた気体の一種）を、恒星の中心部よりも高温に加熱しながら閉じ込めることであった。ここで磁場が極めて重要となる。磁場は、装置の高温の中心部において、熱と粒子を効果的に閉じ込めるからである。
システムの特性の多くは寸法の変化に比例して変化する傾向があるが、磁場の変化が核融合反応に与える影響ははるかに極端である。すなわち、達成可能な核融合出力は、磁場の増加分の4乗に比例して増大する。したがって、磁場を2倍にすると、核融合出力は16倍に増加することになる。「磁場がわずかでも増加すれば、大きな成果が得られる」とソーボムは述べる。
出力の10倍への向上
新しい超伝導体は磁場強度を正確に2倍にするまでには至らないものの、標準的な超伝導技術と比べて核融合出力を約10倍に高めるのに十分な強さを持つとソーボムは述べる。この劇的な改善は、炉設計における一連の潜在的な改善につながる。
フランスで建設中の、世界で最も強力な計画中の核融合炉である巨大装置ITERは、約400億ドルの費用がかかると見込まれている。ソーボムとMITのチームは、ITERの直径の約半分となる新しい設計（ITERは新しい超伝導体が利用可能になる前に設計された）が、わずかな費用で、より短い建設期間のうちに、ほぼ同等の出力を生み出すと試算している。
しかし、規模と磁場強度の違いにもかかわらず、ARCと呼ばれる提案された原子炉は、ITERと「まったく同じ物理学」に基づいているとホワイトは述べる。「我々は未知の新領域へ外挿しているわけではない」と彼は付け加える。
新設計におけるもう一つの重要な進展は、装置全体を分解することなく、ドーナツ型原子炉から核融合発電炉心を取り外す方法である。そのため、異なる材料や設計を用いてシステムの性能をさらに微調整し、改善することを目的とした研究に特に適している。
さらに、ITERと同様に、新しい超伝導磁石により、原子炉は継続的に運転でき、安定した電力出力を生み出すことが可能になる。これは、銅コイルの過熱なしには一度に数秒間しか運転できない今日の実験炉とは異なる。
液体による防護
もう一つの重要な利点は、そのような原子炉で核融合チャンバーを取り囲むために使用される固体ブランケット材料の大部分が、容易に循環・交換できる液体材料に置き換えられることである。これにより、材料が時間とともに劣化した際に必要となる、高コストな交換作業が不要となる。
「[固体]材料にとって極めて過酷な環境である」とホワイトは述べ、そのため、これらの材料を液体に置き換えることは大きな利点となりうる。
現時点では、設計上、この原子炉は運転維持に必要な電力の約3倍の電力を生み出せるはずだが、設計をさらに改良すれば、その比率を約5～6倍にまで高められる可能性があるとソーボムは述べる。これまで、消費するエネルギーを上回るエネルギーを生み出した核融合炉は存在しないため、このような正味のエネルギー生産は核融合技術における大きなブレークスルーとなる、とチームは述べている。
この設計により、約10万人に電力を供給できる原子炉を製造できる、とチームは述べている。同程度の複雑さと規模の装置は、約5年以内に建設されてきた、とも述べている。
「核融合エネルギーは、22世紀において地球上で最も重要な電力源となることは確実だが、壊滅的な地球温暖化を回避するには、それよりはるかに早く必要とされている」と、英国のTokamak Energy Ltd.の最高経営責任者デイビッド・キンガムは述べる。キンガムは本研究とは関わっていない。「この論文は、より迅速に前進するための良い方法を示している」と彼は述べる。
キンガムによれば、MITの研究は「MITの専門分野である高磁場へ向かうことで、はるかに小型（したがって低コストかつ迅速に建設可能）な装置につながりうることを示している」。彼はこの研究を「卓越した品質」と評し、「次のステップ……は設計を洗練させ、さらに多くの工学的詳細を詰めることだろうが、すでにこの研究は政策立案者、慈善家、民間投資家の注目を集めるべきものである」と述べている。
本研究は、米国エネルギー省と全米科学財団の支援を受けた。
本記事は、 MIT Newsとの協力により掲載されている。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではない。
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執筆者：MIT Newsに寄稿するデイビッド・L・チャンドラー。
画像：2014年8月5日、北東部の町ルブミン近郊にある、廃止されたグライフスヴァルト原子力発電所6号機内部のバルブ。REUTERS/Thomas Peter。
