事実上無尽蔵で、炭素を排出しないエネルギー源となりうる核融合発電という、長年追い求められてきた夢の実現に向けた進展が、劇的な飛躍を遂げようとしているのかもしれない。
この炭素を排出せず、燃焼を伴わないエネルギー源の開発は、MITと新たな民間企業の協力により、実現に向けた取り組みが加速している。、コモンウェルス・フュージョン・システムズ社（CFS）との協力である。CFSはMITと協力し、高温超伝導体の進歩に基づく新世代の核融合実験および発電所につながる迅速かつ段階的な研究を行う。この研究は、数十年にわたる連邦政府による基礎研究への資金提供によって可能となったものである。
CFSは本日、イタリアのエネルギー企業Eniから、この取り組みへの支援として5,000万ドルの投資を獲得したことを発表した。さらに、CFSは追加の投資家からの支援も引き続き求めている。CFSは、この協力の一環としてMITでの核融合研究に資金を提供し、核融合エネルギーの迅速な商業化と新たな産業の創出を最終目標とする。
「これは歴史的に重要な瞬間です。超伝導磁石の進歩により、核融合エネルギーが実現可能な範囲に入り、安全で炭素を排出しないエネルギーの未来が見えてきました」と、MITのL・ラファエル・レイフ学長は述べる。「人類が気候変動の深刻化というリスクに直面する中、MITが長年の、そして新たな産業界のパートナーと共に、地球上での私たちの共有の未来に向けたこの変革的ビジョンの実現に全力で取り組むことを、大変嬉しく思います。」
「核融合発電が最終的にもたらす影響と商業的な可能性については誰もが同意していますが、問題は、どうすればそこに到達できるのかということです」と、コモンウェルス・フュージョン・システムズのCEOであるロバート・マムガード（MIT理学修士 2015年、博士 2015年）は付け加える。「すでに開発された科学を活用し、適切なパートナーと協力し、問題に一歩ずつ取り組むことで、そこに到達できるのです。」
MITの研究担当副学長であるマリア・ザーバーは、今回のニュースの重要性についての論説を執筆しており、本日のボストン・グローブ紙に掲載されている。彼女は、MITとCFSの協力には、イノベーションを支えるMIT内の人々と部署による協調的な努力が必要であったと指摘している。「この協力体制を構築するために不眠不休で尽力したMIT のチームに感謝します。副学長補のカレン・グリーソンのリーダーシップは極めて重要でした。また、法務総局、スポンサード・プログラム事務局、技術ライセンス事務局、そしてMITエネルギー・イニシアティブの創造性、勤勉さ、そして配慮も同様に重要でした。皆さん、素晴らしい仕事でした。」
超伝導磁石が鍵となる
太陽や恒星にエネルギーを供給する過程である核融合は、水素のような軽元素が衝突して、ヘリウムのようなより重い元素を形成する反応であり、その過程で膨大なエネルギーを放出する。この過程で正味のエネルギーが生成されるのは、数億度という極めて高い温度においてのみであり、その温度は、いかなる固体材料も耐えられないほど高いものである。これを回避するため、核融合研究者は磁場を用いて高温のプラズマ（亜原子粒子の気体状のスープのようなもの）を所定の位置に保持し、ドーナツ型のチャンバーのいかなる部分にも接触しないようにしている。
この新たな取り組みは、1億ワット、すなわち100メガワット（MW）の核融合発電を生み出すことができるコンパクトな装置の開発を目指すものである。計画どおりに進めば、この装置は、最終的に低炭素エネルギーへの道筋をつける核融合発電所の実物大プロトタイプを実現するために必要な主要な技術的マイルストーンを実証するものとなる。核融合発電所が広く普及すれば、世界の増大するエネルギー需要のかなりの部分を満たすとともに、地球規模の気候変動の原因となっている温室効果ガスの排出を大幅に抑制できる可能性がある。
「本日は私たちにとって非常に重要な日です」と、EniのCEOであるクラウディオ・デスカルツィは述べる。「この合意により、Eniは環境への影響をますます低減した代替エネルギー源の開発に向けて、大きな一歩を踏み出します。核融合は未来の真のエネルギー源です。完全に持続可能で、排出物や長期的な廃棄物を生じず、事実上無尽蔵だからです。私たちはこの目標を迅速に達成することに、ますます強い決意を持っています。」
CFSは、Eniなどによる投資を通じて、今後3年間にわたりMITの研究に3,000万ドル以上を支援する。この研究は、世界最高出力の大口径超伝導電磁石の開発を目指すものである。この電磁石は、トカマクと呼ばれる核融合装置のはるかにコンパクトな版の製造を可能にする主要部品である。この磁石は、最近になって商業的に入手可能となった超伝導材料に基づいており、既存のいかなる核融合実験で用いられる磁場の4倍の強度を持つ磁場を生成する。これにより、所定のサイズのトカマクで生成される出力を10倍以上に増加させることが可能になる。
PSFCでの構想
このプロジェクトは、MITのプラズマ科学・核融合センター（PSFC）の研究者によって構想された。PSFCのディレクターであるデニス・ワイト、副ディレクターのマーティン・グリーンワルドが率い、工学から物理学、建築、経済学に至るまで、MIT全体の代表者を含むチームへと拡大した。PSFCのコアチームには、現在すべてCFSを率いているマムガード、ダン・ブルナー（博士 2013年）、ブランドン・ソーボム（博士 2017年）、そして現在MITの原子力科学工学の助教授であるザック・ハートウィグ（博士 2014年）が含まれていた。
超伝導電磁石がMITとCFSの研究者によって開発されると（3年以内の完成が見込まれている）、MITとCFSは、これらの磁石を用いて、SPARCと呼ばれるコンパクトで強力な核融合実験装置を設計・建設する。この実験は、世界初の商業用発電核融合発電所の設計を可能にすると見込まれる最終段階の研究に用いられる予定である。
SPARCは約100MWの熱を生成するよう設計されている。この熱を電力に変換することはないが、約10秒間のパルスで、小都市で使用される電力と同程度の電力を生成する。この出力は、プラズマの加熱に使用される電力の2倍以上となり、核融合による正味のエネルギーが正となるという究極の技術的マイルストーンを達成する。
この実証により、SPARCの直径の約2倍の新たな発電所が、商業的に実行可能な正味出力を生成できることが確立され、最終設計と建設に進むことができるようになる。このような発電所は、世界初の真の核融合発電所となり、電気出力200MWの容量を持ち、現代の大部分の商業用発電所と同等の規模となる。その時点で、導入は迅速かつリスクを最小限に抑えて進めることができ、このような発電所は15年以内に実証できる可能性がある、とワイト、グリーンワルド、ハートウィグは述べている。
ITERを補完する
このプロジェクトは、ITERと呼ばれる大規模な国際協力プロジェクトで計画されている研究を補完すると見込まれている。ITERは、フランス南部の施設で建設が進められている世界最大の核融合実験装置である。成功すれば、ITERは2035年頃から核融合エネルギーの生産を開始すると見込まれている。
「核融合は、一つの道だけに頼るにはあまりにも重要です」と、PSFCの上級研究科学者であるグリーンワルドは述べる。
新たに利用可能となった超伝導材料（イットリウム・バリウム・銅酸化物（YBCO）と呼ばれる化合物でコーティングされた鋼製テープ）で作られた磁石を使用することで、SPARCは、ITERの約5分の1の核融合発電出力を生成するよう設計されているが、その装置の体積はわずか約65分の1である、とハートウィグは述べる。YBCOテープの究極的な利点は、正味のエネルギーを生み出す核融合装置の建設に必要なコスト、スケジュール、組織の複雑さを大幅に削減し、大学や民間企業の規模で新たな参入者や核融合エネルギーへの新たなアプローチを可能にすることだと、彼は付け加える。
これらの高磁場磁石が、所定の出力レベルを達成するために必要な発電所の規模を大幅に縮小することは、設計のあらゆる側面に波及効果をもたらす。そうでなければ非常に大型であるため現場で製造しなければならない部品は、代わりに工場で製造してトラックで運搬することが可能となる。冷却やその他の機能に関わる補助システムも、それに比例して縮小される。そして、設計と建設にかかる総コストと時間も大幅に削減される。
「求められているのは、10年から20年後に電力網に統合されるであろう電源構成の中で、うまく機能する発電技術です」と、ハートウィグは述べる。「現在、電力網は、こうした2基または3基分の出力を持つ一体型の石炭火力発電所や核分裂発電所から離れつつあります。米国における発電施設の大部分の規模は、現在100～500メガワットの範囲にあります。あなたの技術は、過酷な市場で確実に競争力を持つために、販売されるものと適合する必要があります。」
磁石は新しい核融合炉の鍵となる技術であり、その開発には最大の不確実性が伴うため、ワイトは、磁石に関する作業がプロジェクトの最初の3年間のフェーズとなると説明する。これは、MITやその他の機関で行われている連邦政府出資の研究という強固な基盤の上に成り立つものである。磁石技術が実証されれば、SPARCトカマクの設計という次のステップは、既存のトカマク実験からの比較的単純な発展に基づくものになると、彼は述べる。
「磁石の開発を最初に行うことで」と、MITの原子力科学工学部長であり、ヒタチ・アメリカ工学教授であるワイトは述べる。「3年で非常に確かな答えが得られ、『磁気閉じ込めされたプラズマから正味のエネルギーを生み出すことができるか』という重要な問いに答えるための、最良の機会を自ら確保しているという大きな確信を、今後の進展に対して得られると考えています。」
この研究プロジェクトは、数十年にわたる政府出資の研究によって蓄積された科学的知見と専門知識を活用することを目指している。これには、1971年から2016年までのMITのアルカトールC-Mod実験およびその前身の研究が含まれる。これに、資金が十分に確保されたスタートアップ企業の集中的な取り組みを組み合わせる。ワイト、グリーンワルド、ハートウィグは、このアプローチにより、核融合技術を市場に投入するまでの時間を大幅に短縮できると述べている。その間にも、核融合が気候変動に実質的な影響を与える時間はまだ残されている。
MITEIへの参加
コモンウェルス・フュージョン・システムズは民間企業であり、この計画を実行するために構築された新たな産学連携の一環として、MITエネルギー・イニシアティブ（MITEI）に参加する。MITEIとCFSの協力により、核融合科学に関するMITの研究と教育が強化されると見込まれる。同時に、最終的には核融合発電を実用化する立場にもなりうる、強力な産業パートナーを育成することにもなる。
「MITEIは、エネルギー系スタートアップ企業を対象とした新たな会員制度を設けており、CFSはこの新たなプログラムを通じて会員となった最初の企業です」と、MITEIのディレクターであり、MITの化学工学のシェブロン教授であるロバート・アームストロングは述べる。「本学の膨大な資源と能力へのアクセスを提供することに加え、この会員制度は、スタートアップ企業がエネルギーシステムに関する既存のエネルギー企業とその膨大な知見に触れられるように設計されています。MITEIの founding メンバーの一つであるEniは、MITEIとの関わりを通じて、SPARCがエネルギーシステムを変革する大きな可能性を秘めていることを知りました。」
エネルギー系スタートアップ企業は、新たなクリーンエネルギーのソリューションを市場に投入できる段階まで技術を発展させるために、多くの場合、多額の研究資金を必要とする。従来型の初期段階の資金調達は、エネルギー投資家にはよく知られている長いリードタイムと資本集約性とは相容れないことが多い。
「核融合反応を起こすために必要な条件の性質上、大規模に始める必要があります」とグリーンワルドは述べる。「だからこそ、このような学術と産業の協力が、技術を迅速に前進させるために不可欠だったのです。これは、ガレージで3人のエンジニアが新しいアプリを開発するようなものではありません。」
CFSによる初期の資金の大部分は、新しい超伝導磁石の実証に向けた、MITでの共同研究開発を支援するために用いられる。チームは、磁石がこの課題のニーズを満たすよう、首尾よく開発できると確信している。それでもグリーンワルドは、「それが簡単な課題であるという意味ではない」と付け加え、大規模な研究者チームによる多大な作業が必要になると述べる。しかし彼は、この材料を使って他の目的のために磁石を製造した例があり、その磁場強度は、この炉に必要とされるものの2倍であったと指摘する。これらの高磁場磁石は小型であったが、このコンセプトの基本的な実現可能性を実証するものである。
CFSへの支援に加えて、Eniはまた、契約の締結を発表した。MITEIとの間で、PSFCの核融合技術革新研究所が運営する核融合研究プロジェクトに資金を提供する。これらの研究プロジェクトへの今後数年間の投資額は、約200万ドルとなる見込みである。
「保守的な物理学」
SPARCは、数十年にわたって研究され改良されてきたトカマク設計の発展版である。これには、1970年代に始まったMITでの研究が含まれ、ブルーノ・コッピ教授とロン・パーカー教授が主導した。両教授は、高磁場の核融合実験の一種を開発し、その後MITで継続的に運用され、数多くの核融合記録を樹立してきた。
「私たちの戦略は、MITや他の機関での数十年にわたる研究に基づき、保守的な物理学を用いることです」とグリーンワルドは述べる。「SPARCが期待される性能を達成すれば、それは核融合にとってのキティホーク（ライト兄弟が初めて動力飛行に成功した地）の瞬間になると私は考えています。実用的な発電所へと拡張可能な装置で、正味の電力を確実に実証することになるからです。」
