核融合研究はステラレーターから始まったが、一見克服不可能に思える困難があったため、研究は別の方式であるトカマクへと向かった。
準対称性という概念、高性能コンピューティングと製造技術の進歩により、ステラレーターは節目に到達し、一方でトカマクは挫折を味わったため、ステラレーターが再び注目を集める可能性がある。
核融合への投資が活発化しており、企業の93%が、2030年代またはそれ以前に核融合による電力が送電網に供給されると考えている。
電気自動車の復活は、今回は核融合科学の分野で、もう一つの技術革新の源と似た道をたどる可能性がある。
電気自動車が内燃機関自動車と同じ時期に、かつより速く、より優れたものとして発展していたことを振り返ると、静粛性や運転の容易さといった固有の利点があった。しかし、フォード・モデルTによって状況は一変した。新型の内燃機関車は低価格で大量に、そして長期間にわたって供給されたため、電気自動車は姿を消した。
トヨタがハイブリッド車プリウスを市場に投入するまでには、ほぼ90年を要した。その年は1997年であり、さらに11年の後、テスラがロードスターを生産した。それ以降、研究が活発化し、幅広い新型電気自動車が市場に登場している。今や電気自動車は、再び消費者の最も好まれる選択肢となっている。
核融合研究の起源においても、同様の復活が見られる。ステラレーターは、当時の一見克服不可能な困難のために、トカマクに取って代わられた。
ステラレーターの略史
米国の科学者ライマン・スピッツァーは、1951年にステラレーターの構想を考案した。プリンストン・プラズマ物理学研究所（PPPL）は、彼の構想に基づいて設立された。
研究者たちは、当時の核融合研究における最大の問題であった「ドリフト」（プラズマが電気伝導体から隔離される現象）に対処しようとした。そのために、磁気チューブを特定の配置にして捻じれた磁場を生じさせ、プラズマ内の粒子をチューブの内側と外側の間で往復させる方法がとられた。この配置により、核融合が起こるのに十分な時間、プラズマを閉じ込めることが可能になるはずであった。
ステラレーターの構想は、核融合研究における根本的な問題に対するエレガントな解決策であったが、必要な精度でそのような装置を製造することは困難であった。30年、ソビエト連邦の科学者たちは、トカマク装置の結果を発表した。トカマクは製造がより簡単であった。磁場のケージの一部は、プラズマを流れる強い電流によって生じるためである。
これらの初期結果を確認した後、PPPLは1969年にステラレーターからトカマク設計へと移行することを決定した。この重要な決定は、世界中の核融合プロジェクトに取り組む他の科学者たちにも追随された。
長らく待たれていたステラレーターの再生
トカマクの研究が世界的に急増する一方で、少数のプロジェクトがステラレーター設計の探求を続けた。解決すべき主要な課題は、初期のステラレーター構想で示された閉じ込めの問題であった。
1983年、PPPLのアレン・ブーザーは準対称性を提唱した。これは、ステラレーターの磁場強度における連続的な対称性の一種である。この知見により、彼はより対称的なステラレーターを設計し、その閉じ込め性能を向上させることができた。ドイツのユルゲン・ニューレンベルクは、マックス・プランク・プラズマ物理学研究所（IPP）において、この準対称性が実際に存在し、建設可能である可能性があることを示すことができた。
これらの新たな知見に基づく最初の主要プロジェクトは、IPPのヴェンデルシュタイン7-ASであった。その他の注目すべきプロジェクトとして、ヘリカル対称実験（HSX、米国）や、大型ヘリカル装置（日本）がある。
これらのプロジェクトはステラレーター構想への新たな関心を呼び起こし、その集大成がヴェンデルシュタイン7-Xである。2017年12月には、核融合生成物に関する新たなステラレーターの世界記録を樹立した。2023年2月には、節目に到達し、1.3ギガジュールのエネルギー転換を達成するとともに、放電時間は記録的な8分間に及んだ。一方、昨年末に長く待たれていた核融合分野でのブレークスルーを成し遂げたローレンス・リバモア国立研究所は、その後の類似の実験5回が失敗したことで挫折を味わった。
なぜ今がステラレーターの時代なのか？
まず、前述の準対称性という概念は真のゲームチェンジャーであり、その重要性は過小評価できない。ステラレーター設計の復活には、さらに2つの重要な進展が寄与した。高性能コンピューティングと製造技術の進歩である。
核融合エネルギーを生み出すためにプラズマを閉じ込めるに必要な磁場を生成する通電コイルの設計の難しさは、1950年代に磁気閉じ込めプラズマの研究が始まって以来、極めて重要な課題であった。この課題は、トカマクよりも複雑なコイル構成を持つステラレーターにとって特に当てはまった。しかし、コンピューティングの進歩により、この設計上の問題は大幅に軽減されている。ステラレーターのコイル設計は依然として複雑であるものの、先進的なコンピューティングのおかげで、ステラレーターが不利になることはない。
コンピュータによる設計の後は、コイルを製造しなければならない。長い間、必要な精度でステラレーターのコイルを製造することは大きな問題であり、ステラレーターをさらに不利な立場に置いていた。しかし、製造技術、特に積層造形（アディティブ・マニュファクチャリング）における最近の進歩により、この問題は非常にうまく解決されつつある。
ここからどこへ向かうのか？
研究者たちは、ステラレーター設計へと再び注目を向けている。2021年1月、デイビッド・ゲイツは、PPPLの「土曜日の科学講座」の一つでステラレーターの復活に関する講演を行った。
また、商業系スタートアップ企業が登場し、核融合エネルギーを研究室から送電網へと届けようとしている。そのうち2社はステラレーターを手がけている。ルネサンス・フュージョン（欧州）とタイプ・ワン・エナジー（米国）である。また、以前に論じたように、研究機関や大手企業はディープテックへの投資に対するインセンティブを持たないため、ディープテックを研究室から実用化へと進められるのはスタートアップ企業だけである。過去の資金調達の問題にもかかわらず、改善が進み投資は増加しており、ディープテック投資のパラドックス報告書では、ディープテックへの投資額が2025年までに2,000億ドルを超える可能性があると試算されている。
テクノロジー分野の億万長者であるビル・ゲイツ、ジェフ・ベゾス、ピーター・ティール、マーク・ベニオフ、ヴィノド・コースラは、確信を持ち、迅速にマッキンゼーの分析では、核融合エネルギーへの民間投資は過去20年間で急増しており、2021年には投資額がほぼ3倍に増加したことが示されている。
報告書によると、『The Global Fusion Industry in 2022』報告書によると、企業の93%が、2030年代またはそれ以前に核融合による電力が送電網に供給されると考えている（2021年の83%から上昇）。
電気自動車の歩みが示すように、技術の復活には時間がかかる場合があり、隣接分野でのブレークスルーを示す必要があるかもしれない。例えば、電気自動車は高容量バッテリーや低損失電動機の進歩をもたらした。そして、ステラレーターの再登場は、先進的なコンピューティングと積層造形をもたらすだろう。
