核融合の「ブレークスルー」が実用的な核融合発電の実現にまだつながらない理由とは？

未来のエネルギーとして大きく期待されている核融合は、連鎖反応で暴走してしまう危険性が高い核分裂と比べると非常に安全とされており、実現に向けて研究が進められていますが、科学系ニュースサイトのIEEE Spectrumは「核融合発電の商業化への長い道のりの小さな一歩にすぎません」と述べています。

Fusion “Breakthrough” Won’t Lead to Practical Fusion Energy - IEEE Spectrum
https://spectrum.ieee.org/national-ignition-facility-impractical

2022年12月13日には、ローレンス・リバモア国立研究所で行われたレーザー核融合実験で、投入した分よりも高いエネルギーの出力が得られる「核融合点火」に成功したことがアメリカ合衆国エネルギー省と国家核安全保障局(NNSA)によって発表されており、実験の成功は核融合における「ブレークスルー」だと言われています。

エネルギー省が正式に核融合実験でエネルギー投入を上回る出力を達成し「点火」を確認したと発表 - GIGAZINE

ローレンス・リバモア国立研究所では、水素プラズマを閉じ込めた小さなカプセルにレーザーを照射することで核融合反応を起こす「慣性閉じ込め方式レーザー核融合」の実験を行っています。

今回の核融合実験の成功についてIEEE Spectrumは「核融合発電の商業化への小さな一歩にすぎません」と述べ、核融合発電が抱える問題点を指摘しています。

1つ目の問題点は、核融合発電に必要なレーザーは今回の実験で用いられたレーザーよりも100倍の効率が求められるという点。ローレンス・リバモア国立研究所での実験では、水素カプセルで生成したエネルギーは3.15メガジュールで、投入したレーザーのエネルギーは2.05メガジュールでした。しかし、「レーザーのエネルギー」と「レーザーを照射するのに必要なエネルギー」は全くの別物です。実験で行われたレーザー照射では1回につき約300メガジュールが必要となるため、「レーザーを照射するのに必要なエネルギー」を上回るエネルギーを核融合反応で生成するのはまだまだ実現には遠いとIEEE Spectrumは指摘しているわけです。

2つ目の問題点は、レーザー照射の頻度が低いという点です。2022年のローレンス・リバモア国立研究所では年に数回水素カプセルに対してレーザーを照射していますが、IEEE Spectrumは「核融合発電を行う際にはレーザーが1秒間に数回照射されることが理想的です」と述べており、理想的な核融合発電を行うためには現在のレーザー照射頻度ではまだまだ不足していることを指摘しています。

3つ目の問題点は、発生したエネルギーを使用可能な電力に変換する必要があるという点です。核融合発電では、核融合炉をブランケットと呼ばれる箱で包み、中性子を吸収することで発生した熱を用いて蒸気タービンを駆動させることになりますが、プリンストンプラズマ物理学研究所所長のスティーブン・カウリー氏は「私たちはモックアップのブランケットを作成したことはありますが、実用的なブランケットは作成したことはありません」と述べており、理想的な核融合発電を行うために必要なブランケットが現状では開発されていないことをIEEE Spectrumは指摘しています。

4つ目の問題点としては、核融合炉の運用と維持にかかるコストが高い点です。ローレンス・リバモア国立研究所で用いられる水素カプセルの製造には1つ数十万ドル(数千万円)を要します。また、ローレンス・リバモア国立研究所のレーザーの出力は非常に強力で、照射のたびに施設内の装置に損傷を与えており、現状の核融合実験では必要なコストが膨大になってしまうことがIEEE Spectrumによって指摘されています。

5つ目の問題点として、開発の初期段階にある核融合発電が商業的に競争できるかどうかは明らかではなく、商業化の可能性についての検討が行われていないことが現状である点です。つまり、現状では核融合実験が成功したとしても、商業的な核融合発電に発展できるかについて不透明であることが指摘されています。

一方でIEEE Spectrumは「核融合発電は絶望的ではありません」と述べており、レーザーの出力を少し増加させるだけでエネルギーの出力が急速に向上する可能性があるとのこと。

カウリー氏は、「これまで磁場閉じ込め方式による核融合発電は可能であるという見解でしたが、ローレンス・リバモア国立研究所が行った実験の結果では、慣性閉じ込め方式による核融合が、核融合発電の実現への道である可能性を示しました」と述べており、核融合で生み出したエネルギーをどのように電力に変換するかについてはまだまだ研究の余地があることを認めています。