核融合発電の最前線: ITER計画とプラズマ制御技術の課題

山崎行政書士事務所
5月5日
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ITERにおける核融合発電の技術課題と自然との共生に関する考察

はじめに

核融合発電は、太陽や恒星で起こる核融合反応を地上で再現し、膨大なエネルギーを取り出す夢のエネルギー源とされています。現在、その最先端に位置する国際プロジェクトが、欧州を中心に建設が進む国際熱核融合実験炉 (ITER) です。ITERには中国、米国、日本など含む33の国・地域が参画し、人類史上最大規模の核融合炉を南仏カダラッシュに建設中ですiter.org。ITERの主目標は、核融合反応で生じるヘリウム原子核のエネルギー（いわゆる自己加熱）によってプラズマを維持する「燃焼プラズマ」の実現でありiter.org、将来の発電炉に必要な超伝導コイルや遠隔保守、トリチウム増殖ブランケット（核融合炉内で核燃料トリチウムを自己生産する技術）の検証も担いますiter.org。

本レポートでは、ITER計画を中心に核融合発電研究の最新動向を概観し、特にプラズマ制御に関する技術的課題（プラズマの安定化・磁場閉じ込め・加熱方法・エネルギー取り出しなど）に焦点を当てて解説します。また、これらの科学技術が人類の未来や自然との共生にどのように寄与し得るか、実用化への展望と哲学的・倫理的な考察も交えて報告します。

核融合実験装置内で発生した高温プラズマ（画像は英国のMAST球状トカマク実験の例）。プラズマはイオンと電子からなる高温の気体で、青白い光を放っている。核融合炉では強力な磁場でこのプラズマをドーナツ状に閉じ込めるcommons.wikimedia.org。

核融合発電とITERプロジェクトの概要

核融合反応では、重水素と三重水素といった水素同位体の原子核同士を超高温で衝突させ、ヘリウム原子核と中性子に融合させることでエネルギーを得ます。この反応は質量欠損により莫大なエネルギーを放出し、1gの燃料から石炭約11トン分に相当するエネルギーが得られる計算になりますen.wikipedia.org。核融合は核分裂とは異なり、理論上は燃料がほぼ無尽蔵で（重水素は海水中に豊富、三重水素もリチウムから生成可能）、運転中に二酸化炭素を排出せず、事故時に原子炉が「メルトダウン（炉心溶融）」する危険もありません。また、発生する放射性廃棄物も核分裂に比べ極めて短寿命であることが特徴ですen.wikipedia.org iaea.org。このため核融合発電は将来のクリーンエネルギー源として期待され、人類のエネルギー需要を数百万年にわたり満たし得るとも言われますiaea.org。

ITER計画は、こうした核融合発電の科学的・技術的実現性を大規模実験で示すことを目的としています。ITERはトカマク方式と呼ばれるドーナツ型の真空容器内でプラズマを磁場閉じ込めする装置で、核融合実験炉としては世界最大となるプラズマ容積約840立方メートルを誇ります。ITERは実験炉であるため発電は行わないものの、50MWの入力加熱で500MWの核融合出力（核融合増倍率Q=10）の達成を目標としていますen.wikipedia.org。これは実験室規模の核融合反応として史上最高のエネルギー増幅となる見込みです。参考までに、過去のトカマク実験では欧州のJET（1983年稼働）がQ≃0.67を記録し、2022年には米国のレーザー核融合実験（NIF）で初めて投入エネルギーを上回る核融合エネルギー（Q≈1.5）が達成されていますen.wikipedia.org。ITERはこれらを大きく超える「燃焼プラズマ」領域での運転を目指しています。

しかし、その建設と実験運転には長期の年月と巨額の投資が必要です。ITERの初期計画では2020年にファーストプラズマ（初点火）、2023年に本格的核融合実験という工程でしたが、度重なる技術的困難や設計変更、資材価格の高騰、そして近年のパンデミックなどの影響でスケジュールは遅延していますipp.mpg.de。2024年7月に発表された新たな工程表によれば、2025年～2034年頃に初期運転開始、2035年に重水素-重水素(D-D)反応によるプラズマ運転開始、2039年に核融合燃料である重水素-三重水素(D-T)を用いた本格運転開始という見通しです ipp.mpg.de。つまり商用炉に向けた研究は2030年代後半までITERで継続される計画です。また建設費も当初予算50億ユーロから既に2～3倍に膨らみ、さらなる遅延で追加費用が見込まれていますlegistorm.com。こうした長期計画ではありますが、ITERは世界各国の英知を結集した前例のない試みであり、核融合コミュニティにとって**融合エネルギー実現への「飛躍台」**となるものですpolytechnique-insights.com polytechnique-insights.com。次章では、ITERが直面する技術的課題の中でも特に重要なプラズマ制御について詳しく見ていきます。

プラズマ制御に関する主な技術課題

核融合炉の心臓部では、数億度にも達する高温プラズマをいかに安定して閉じ込め続けるかが最大の課題です。ITERを含むトカマク型炉心では強力な磁場によってプラズマをドーナツ環状に浮遊させますが、その制御には以下のような技術的挑戦があります。それぞれの課題と現在のアプローチを整理すると次の表の通りです。

課題	内容	主な対策・アプローチ
プラズマの安定化	プラズマ中の不安定現象（MHD不安定性や乱流）がエネルギー閉じ込めを悪化させ、時にプラズマ崩壊を招く。特にプラズマ電流が急減するディスラプション（破壊的不安定）は機器に大きな電磁力・熱衝撃を与える。周辺部では周期的なエネルギーバースト（ELM: Edge Localized Mode）が壁面を損耗させる。	装置を大型化して乱流による熱漏れを低減 polytechnique-insights.com。プラズマ電流や圧力勾配を最適化する制御システム。ディスラプション緩和のための大量ガス噴射・ペレット入射による急冷手法（ITERでも採用予定）。ELMを抑制・緩和する磁場摂動コイル（RMP）や高速小ペレット入射iter.org。AIを用いたリアルタイムフィードバック制御nature.com nature.comの研究。
磁場閉じ込めと装置設計	超伝導コイルで生成するトーラス状のトロイダル磁場とプラズマ電流が作るポロイダル磁場を組み合わせ、螺旋状の磁力線でプラズマを閉じ込める。ITERでは5.3テスラ級の磁場と最大1500万アンペアのプラズマ電流が必要commons.wikimedia.org。電磁力に耐える大型構造物が求められる。トカマク方式ではトロイダル電流を維持するためパルス運転となる（連続運転が難しい）。	高強度の超伝導磁石（Nb<sub>3</sub>Snケーブルなど）を使用し強力な磁場を実現。ITERではトロイダル磁場コイル18基、ポロイダルコイル6基などで全周囲から閉じ込める設計。高温超電導の応用で20テスラ級磁場発生にも成功polytechnique-insights.comし、将来は装置の小型化も期待。プラズマ電流の非誘導駆動（高周波による電流駆動）技術で連続運転を目指す研究。ステラレータ型など他方式も並行検討polytechnique-insights.com。
プラズマ加熱方法	核融合反応を起こすには1億度以上のイオン温度が必要。初期はプラズマ抵抗による自己加熱（誘導電流を流す際のジュール加熱）を用いるが高温域では効かない。十分な温度・密度に達すると核融合反応の生成物（ヘリウム原子核）がさらなる加熱を担う燃焼プラズマとなるiter.org。ITERでは50MW以上の外部加熱が計画される。	強力な補助加熱装置を駆使。中性粒子入射 (NBI) 加熱：水素原子ビームを1MeV級に加速しプラズマ中心に入射iter.org。高周波加熱：イオンや電子の共鳴波動数帯の電磁波(ICRF/ECRH)を照射しエネルギーを吸収させる。ITERではNBI×2本や20MW級の電波加熱を搭載予定。近年は高周波加熱による長時間維持の記録（中国EASTで400秒超iter.org）や、RF波でELM不安定を抑制する手法も報告iter.org。燃焼プラズマではアルファ粒子による自己加熱を制御し、外部加熱とのバランスをとる高度な炉心制御が必要。
エネルギー取り出しと材料技術	D-T核融合反応エネルギーの大部分(約80%)は高速中性子の運動エネルギーとして放出され、残りはヘリウム粒子がプラズマに残す。磁場は中性子を拘束できないため、炉壁で受け止め熱に変換する必要がある。中性子とプラズマ粒子の衝突は壁材料を劣化・活性化させる。核融合燃料の三重水素は自然界にほぼ存在しないため炉内で中性子とリチウムの反応により生成（増殖）する必要がある。	炉心を取り囲むブランケットに中性子を吸収するリチウム含有材料を配置し、発熱とトリチウム増殖を両立en.wikipedia.org。ITERでは各種ブランケットモジュールを試験し将来の実用炉設計にデータ取得予定iter.org。中性子で高熱負荷を受けるダイバータ（排気板）には融点の高いタングステンを採用し冷却機構と組合せ数千万W/㎡級の熱除去に耐える設計ipp.mpg.de。真空容器や構造材も中性子による放射化を抑える低放射化材料を開発。高速中性子による材料損傷を見越した定期的な部品交換（遠隔ロボット保守）体制。核融合炉からの熱エネルギーはブランケット冷却材を介し従来型の蒸気タービン発電に利用可能だが、ITERは実験装置のため発電は行わないen.wikipedia.org。将来のDEMO炉で発電系統まで含めた実証が計画されているen.wikipedia.org。

上記のように、核融合炉の実現にはプラズマ物理と材料工学、制御工学など幅広い分野にまたがる課題解決が不可欠です。ITERではこれら**「統合課題」を一つの機械で実証することが期待されておりipp.mpg.depolytechnique-insights.com、例えば材料研究の成果に基づき第一壁材を従来計画のベリリウムからタングステンに変更し高出力時の安全マージンを確保、加熱装置も当初より強化してプラズマ制御性を高めるなど最新知見を盛り込んだ設計にアップデートしていますipp.mpg.de。また制御システムについても、各国の核融合実験施設で開発されたプラズマ安定化手法（乱流輸送の抑制、電流駆動によるMHD安定化、ELM制御手法など）が積極的に導入される計画ですiter.orgiter.org。ITERはこうした全要素集成試験**として、将来の原型炉に必要な技術統合と信頼性確保の場となります。

実用化に向けた展望と課題

核融合発電の実用化には、上述した技術課題を克服しつつ信頼性・経済性を備える必要があります。ITERが目指す「燃焼プラズマでのエネルギー増幅実証」はその第一関門であり、これに成功すれば核融合が原理的に発電に十分なエネルギーを得られることが確認されます。しかし発電プラントとして社会実装するには、更にいくつかの段階的ハードルがあります。

まず、ITER後に計画される原型炉DEMOで、ITERでは扱わなかった連続運転や電力取り出しまで含めた実証を行う必要がありますen.wikipedia.org。ITERはパルス運転（数百秒程度のプラズマ放電）しかできないため、DEMOでは長時間連続運転下での安定性やブランケットによるトリチウム燃料自己供給、発電タービンへの接続までを検証します。DEMOでの経験を経て、ようやく核融合エネルギーを商用電力網へ組み込む段階に進めます。民間企業による楽観的な予測では「2030年代末までに商用炉稼働」との見方もありますがlegistorm.com、その実現時期については研究者間でも見解が分かれていますlegistorm.com。仮に核融合炉が完成しても、経済競争力のある発電コストや安全規制への適合、人材育成など課題は多く、「魔法のエネルギー」ではなく長期的取り組みであることは留意すべきです。

もう一つの展望として、近年台頭している民間の小型核融合炉開発があります。彼らはITERよりはるかに小規模な装置で早期に発電実証を目指しており、一部では政府主導の巨大プロジェクトより俊敏に技術革新を進められると主張していますlegistorm.com。高温超電導や先進の数値シミュレーション技術により、装置サイズの飛躍的縮小や短期間での試行が可能になってきたのも事実です。しかし、核融合の基礎的な難しさ（高温プラズマの制御という課題）はスケールを問わず存在するため、ITERで得られる科学的知見は依然として重要ですlegistorm.com。むしろ両者は相補的であり、国家プロジェクトによる基盤技術の確立と民間の機動力ある開発競争の相乗効果で核融合実現を加速させることが望まれます。

人類の未来と自然との共生: 哲学的・倫理的考察

核融合エネルギーの実現は、人類文明と地球環境の関係に大きな影響を与えると考えられます。その哲学的・倫理的意味合いについて、以下いくつかの視点から考察します。

環境へのインパクトと持続可能性: 核融合発電は運転時に温室効果ガスを排出せず、燃料も海水と豊富な鉱物から得られるため、資源枯渇や地球温暖化への懸念を飛躍的に軽減しますiaea.org。また前述のように大事故や長寿命核廃棄物のリスクも極めて低くen.wikipedia.org、環境と共存しやすいクリーンエネルギーと言えます。これは気候変動に直面する人類にとって倫理的に大きな利得であり、将来世代への責任を果たす技術とも位置付けられます。一方で、核融合炉の建設・運転に伴う資源採掘や廃棄物（中性子照射で放射化した構造材）処理など、ゼロではない環境負荷についても慎重な管理と透明性が求められます。
エネルギー正義と社会影響: 核融合が実用化すれば、人類は事実上無尽蔵のクリーンエネルギー源を手にすることになります。これはエネルギー安全保障や経済に劇的な変化をもたらすでしょう。エネルギー資源を巡る国家間の対立は和らぎ、電力の低廉化で貧困地域の生活水準向上にも寄与し得ます。しかし同時に、「誰がこの恩恵を享受できるか」という問題があります。ITERのような大型プロジェクトは一部先進国の主導で進められており、実用化された核融合エネルギーが全人類に公平に分配されるよう国際的枠組みを構築することが重要です。エネルギーへのアクセスは現代社会で基本的人権に関わる問題であり、核融合が新たな不平等を生まないよう留意する倫理的責任があります。
科学技術の価値と人類の未来: 核融合炉を作ることは「人工の太陽を創る」とも形容され、人類の科学技術が自然の根源的プロセス（恒星エネルギー）を掌握する壮大な試みです。それは人類の知的好奇心と技術力の勝利であると同時に、科学の適用にあたって謙虚さを忘れないことも大切です。核融合研究には長期間にわたる巨額の投資が投じられていますが、その背景には将来世代へのエネルギー遺産を築こうとする責任感と、「人類は持続可能な発展を遂げられる」という希望がありますiaea.org。哲学的には、核融合の実現は人類が自然の力を調和的に利用しうるという証明であり、私たちが直面する気候・エネルギー危機に対する一つの解答となり得ます。反面、「太陽を地上に灯す」行為には自然の摂理への畏敬の念も伴います。科学者には安全第一の態度と社会との対話を通じて、この強大な技術をあくまで平和目的・人類全体の福祉のために使う倫理観が求められます。

おわりに

本報告では、ITERプロジェクトを軸に核融合発電の最新動向とプラズマ制御技術の課題、さらにその社会的意義について考察しました。核融合発電は決して容易な道ではありませんが、着実に科学的マイルストーンを積み重ねつつあります。ITERの建設と運転で得られる知見は、将来のDEMO炉や商用炉への道筋を照らすものであり、国際社会の協調の下で前進しています。技術面ではプラズマの安定閉じ込めや材料耐久性など課題は残るものの、各国の研究努力により解決策が見え始めています。核融合が実用化すれば、持続可能でクリーンなエネルギーによって人類はエネルギー問題と気候問題の克服に大きく近づくでしょう。それは人類が自然とより調和した形で繁栄していく未来像の一端です。今後も研究開発と国際協力を粘り強く続け、この「未来の火」を現実のものとすることが期待されます。核融合エネルギーの夜明けはまだ先ですが、その実現に向けた挑戦は着実に進行中であり、人類の未来に灯る明るい希望となりつつあります。

参考文献

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