みずほリサーチ＆テクノロジーズ技報 Vol.2 No.1

調査レポート

核融合を理解する～地上に「太陽」をつくる技術～
社会インフラチーム

主任コンサルタント

今野 彰
脱炭素社会や新たなエネルギー資源開発の実現という社会的背景により, 核融合エネルギーが注目されている. 核融合と聞くと, そもそも核融合とは何だろう, 既にある原子力発電所とは同じなのか, あるいはどう違うのか, 核融合とその発電は実現可能なのだろうか, など多くの疑問が浮かぶだろう. そこで本稿では核融合の原理から最近の研究開発動向まで網羅的に取り上げることで, 核融合への理解を深めることを目的とする.

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はじめに

は, 「国内での着実な再稼働の進展とともに, 海外（米・英・加等）で進む次世代革新炉開発に, 高い製地球を燦々と照らし, 我々に様々な恩恵をもたら造能力を持つ日本企業も連携して参画し, 多様な原す太陽. その太陽の主なエネルギー源は核融合とさ子力技術のイノベーションを加速化」させるとし, それている. 太陽の明るさと, その輝き続けている時の「次世代革新炉」として, 「小型炉(SMR)」, 「高温間を考えると, 太陽が燃え続けるのに必要なエネルガス炉」, そして「核融合」に焦点が当てられている.

ギーには化学反応や重力といったエネルギーでは到令和 3 年版科学技術・イノベーション白書 4)による底及ばず, 太陽の主成分である水素が核融合反応をと, 核融合エネルギーは燃料として水素を利用する起こすことによって, 数十億年という長い年月にわため, 「燃料資源が豊富であること, 発電過程で温室たって太陽として維持し続けているだろうと考えら効果ガスを発生しないこと, 少量の燃料から大規模れるようになった. このことを最初に示唆したのがな発電が可能であること」という特長を持ち, 「エネ

天文学者 A. Eddington で, 1920 年のことであった 1).

ルギー問題と環境問題を根本的に解決し, カーボン

それからおよそ 100 年経った今, この核融合を地ニュートラル社会において重要な将来の基幹的エネ球上で実現しようという動きが加速し始めている.

ルギー源として期待されている」としている.

2021 年 4 月, 政府は 2030 年度の新たな温室効果ガス

そこで本稿では, このような社会的背景により近排出削減目標として「2013 年度比 46％減」を打ち出

年注目されている「核融合」について, その基本的なし, 「さらに 50％の高みを目指して挑戦を続ける」と原理から, 核融合の実現に向けての進捗状況まで網2)

表明 , 2050 年には温室効果ガスの排出量を実質ゼロ

羅的に紹介する. 核融合について説明する際は適宜,にすることを目指すという目標を掲げた. このよう既存の原子力発電との関係性にも触れるため, 何がな「2050 年カーボンニュートラル, 脱炭素社会」の実核融合による発電と同じで, 何が異なるのかにも着現に向けて, 「経済と環境の好循環」を作り上げる産目していただきたい. 本稿により, なぜ核融合エネ

3)業政策である「グリーン成長戦略」を示した . そのルギーが「エネルギー問題と環境問題を根本的に解戦略では, エネルギー関連産業, 輸送・製造関連産業,決し, カーボンニュートラル社会において重要な将家庭・オフィス関連産業から成長が期待される産業

来の基幹的エネルギー源として期待されている」のを 14 分野選定し, エネルギー関連産業からは具体的か, その理解が深まることとなるだろう.（なお,本稿に, 洋上風力産業と燃料アンモニア産業, 水素産業,は 2022 年 12 月末時点での情報に基づいている.）

原子力産業が列挙されている. 原子力産業において

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核融合とは何か子番号を表すことになる（つまり左上の数字と左下の数字の差が原子核を構成する中性子の数となる）.

ここでは核融合の基礎について示す. そもそも核D-T 反応を模式的に表したのが図 1 である. 陽子と融合とは, 軽い原子核同士が「融合」し重い原子核に中性子で構成された原子核が核融合反応に関わるこ変わることをいう. このとき融合前の軽い原子核のととなり, これらの原子核は電気的にプラスである.

総質量と, 融合後の重い原子核の質量を比べると,後者の方がわずかに軽い. この質量の違いがエネルギーとして現れるのが核融合エネルギーである.
𝐸 = 𝑚𝑐(1)という式を見たことがある方もいるだろうが, これは物理学者 A. Einstein によって見出されたもので,質量𝑚とエネルギー𝐸が等価であることを表す（なお𝑐は光の速度を表す）. 式(1)から, 核融合によりわず

図 1

D-T 反応の模式図

かに変化した質量が莫大なエネルギーに変換される
こととなる. 融合されてできた核エネルギーを利用

D-T 反応で発生するエネルギーの 8 割は中性子がして発電するのが核融合発電である.

もって飛び出すため, 核融合炉（核融合反応を行う炉核エネルギーを利用した発電と言えば原子力発電のこと）では, ブランケットと呼ばれる特殊な壁で中が想起されるが, 原子力発電の方は重い原子核が軽性子を捕らえて熱に変換させる 6). この熱で冷却水

い原子核に「分裂」する核分裂によって生じるエネルを数百度まで加熱させ, 高温高圧の水蒸気で発電タ

ギーを利用したもので, 全く異なるプロセスであるービンを回転させることで電気を得ることができる.

ことに注意する（ただし, 核分裂によって得られるエなお, 核のエネルギーで冷却水を加熱させて発電タネルギーは, 核分裂の前後での質量の変化によるもービンを回転させるという部分は, 核分裂による原のであり, すなわち式(1)に従うため, この点は核融子力発電と同じプロセスである.

合と同じである）. つまり核分裂に基づく発電は現状核融合で得られるエネルギー量は「核融合燃料 1 グ実用化されていて, 核融合を利用した発電は未だ実ラムから石油 8 トン分」とされる 7). 参考として, 現現されていないということになる.

状の原子力発電, すなわち核分裂反応で用いられる

地上で核融合を実現する場合, 反応に必要な温度・ウラン燃料 1 グラムからは石油 1.8 トン分のエネル

圧力条件が低く, 反応確率が高く, また発生するエギー量が得られるとされる. このことから核融合反ネルギーも大きい「重水素と三重水素からヘリウム応の方がエネルギー効率の観点で有利である.と中性子が生成される反応」が最も実現可能性が高

D-T 反応のもとの 1 つである重水素（デューテリいとされている 5). この反応は D-T 反応と呼ばれてウムともいう, 単に”D”と表されることもある）は,いて, D-T 反応は以下の反応式で表される.

水素の安定同位体のうち, 原子核が陽子 1 つと中性子 1 つから構成されるものをいう. なお通常の文脈

H + H → He (3.5MeV) + 𝑛 (14.1MeV)(2)での「水素」は原子核が陽子 1 つのみ（原子記号で表すと H）であり, これは「軽水素」と呼んで区別されここで, Hが重水素, Hが三重水素, Heがヘリウることがある. 重水素は海水から抽出可能であり,ム, 𝑛 が中性子を表し, ”MeV”（メガ電子ボルト, 「メ海水 1 トンあたり 33 グラム含まれる. もう 1 つの三ブ」と発音される）がエネルギーの単位を意味する.

重水素（トリチウムともいう, 単に”T”と表されるこ

重水素と三重水素については後で詳述するが, 水素ともある）は原子核が陽子 1 つと中性子 2 つから構を表す元素記号Hとヘリウムの元素記号Heの左上と成されるものをいい, 不安定であるため天然には微左下に数字が付いている. 左上の数字が質量数と呼量しか存在しない. そのため三重水素は人工的に生ばれるもので, 原子核を構成する粒子（陽子と中性子） 成する必要があり, リチウムに中性子を当て, 三重の総数を表す. 左下の数字が陽子の数で, これが原水素とヘリウムに分裂させるという方法がとられる

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（リチウム自体も海水から抽出可能で, 海水 1 トンめ, その処分方法を検討する必要があることである.

あたり 0.2 グラム含まれる）. なお, 先述した核融合

3 つ目はそもそも核融合反応を生成, 維持することが炉の壁であるブランケット内部に, リチウムとベリ難しく, D-T 反応の場合, 1 億度という超高温のプラリウムを格納しておけば, そこに D-T 反応で生成さズマ状態を持続させる必要がある. 上記 3 つのデメれた中性子が入射すると三重水素の生成も可能とな

リットのうち前の 2 つは我々の生活と密に関係するる（ここでのベリリウムは中性子の増倍及び遮蔽のため, 核融合発電の実現においてはこれらに関する役割を担う）. 重水素を大量生成する方法は確立されリスクのコミュニケーションが重要と考えられる.ていて, 世界にはすでに多くの製造プラントが存在している

8)以上が核融合の原理に関する説明であるが, ここ. 重水素は, 海水から交換反応によって,でいくつか補足を入れることとする.

軽水素でできた水分子（「軽水」という）と重水素か核エネルギーというと, 核兵器を想起する方もいらできた水分子（「重水」という）を抽出・分離させ,るだろう. 先ほど, 核分裂による発電は実用化済み

濃縮された重水を電気分解することで得ることがでで, 核融合による発電は未だ実現されていないこと

きる. リチウムを抽出する方法としては, リチウムに触れたが, 核兵器の方では核分裂と核融合のいずだけを選択的に吸着する結晶を利用したイオンふるれの方法でも, 実現済みである. 核分裂を利用したい結晶法や, イオン伝導体（リチウムを選択的に分離のが「原子爆弾」で, 核融合を利用したのが「水素爆する膜のようなもの）を用いたイオン伝導体リチウ弾」である. ただし水素爆弾の方は, 核融合を駆動さ9). なお核融合燃料の生成に必要なせるためのエネルギーとして核分裂のエネルギーがエネルギーは, 核融合によって生じるエネルギーと利用されているため, 実質的に核融合のみを利用し比べるとはるかに小さいため, この燃料の製造方法た核兵器は存在しない. 仮に核融合のみによる核兵は非効率的というわけではない.

器が技術的に実現可能と示せたとしても, それは核ム分離法がある

ここで核融合によるエネルギー生成のメリットと拡散防止条約や包括的核実験禁止条約の観点から,デメリットを整理する. メリットは 3 つあり, 1 つは実際に製造されることは無いだろうし, そうならな

上述の通り, 重水素も, 三重水素の生成のためのリいことを願うばかりである.
また地上での核融合の実現で最も有力なものが D-チウムも基本的には海水から抽出され, また地球上T 反応であるが, 他にも D-D 反応：には海水が1.4 × 10 トン存在するため, 燃料が枯渇することが実質的にないという点である. 2 つ目は核融合反応の過程で温室効果ガスが発生する余地が無

H + H → H (1.0MeV) + H (3.0MeV)
H + H → He (0.8MeV) + 𝑛 (2.5MeV)い（炭素が関係しない）ため, カーボンニュートラル

(3)(4)に貢献できることである. 3 つ目は, 核分裂反応とは（ここで Heはヘリウム 3 という）や D-3He 反応：

異なり, 核融合反応で生成される粒子（D-T 反応ではヘリウムと中性子）は次の核融合反応に直接的には係わらないため, 連鎖反応が起こらず, 反応の暴走

H + He → He (3.7MeV) + H (14.7MeV)(5)や爆発の危険が無いことである. 仮に機器や核融合炉が故障した場合でも, 核融合反応が抑制・停止されも候補として挙げられている. D-D 反応や D-3He 反応る方向に働くため安全に発電が停止されることとなは, D-T 反応と比べると技術的難易度が高い（プラズり, この点も原子力発電と異なる.

マ温度を更に高温の 10 億度程度にする必要がある 5））

核融合のデメリットも 3 つ挙げられる. 1 つが, 三とされているが, その困難を乗り越えられれば利点重水素は放射性物質であるため適切な管理が必要ながある. D-D 反応では, 放射性物質であり, 人工的にことである. ただし, 核分裂の方に関係するセシウ生成する必要のある三重水素が不要で, 重水素のみ

ム 137 といった他の放射性物質と比べると, その放から発電が可能という利点がある. D-3He 反応では,射線影響は小さく, また外部被ばくは無く, 体内に中性子が発生しないため扱いやすく, 放射性物質が取り込まれたとしても蓄積されることも無いとされ生成されない特長がある. なおヘリウム 3 はヘリウる. 2 つ目が, 核融合では高レベルの放射性廃棄物がム（ He）の同位体で非放射性物質である. ただヘリ生成されることは殆ど無いが, 核融合反応で飛び出ウム 3 は地球上には存在しないため, 現状 D-3He 反す中性子によって周囲の機器が放射化, 劣化するた応の実現は難しいが, 月面にはヘリウム 3 が資源と3

みずほリサーチ＆テクノロジーズ技報 Vol.2 No.1して存在していることが知られている. 将来の宇宙電気的にプラスとマイナスの粒子であるため, そこ開発により月面のヘリウム 3 が核融合に活用されるに磁力線（磁場）が存在するとそれに巻き付くようにことも可能になると考えられている. ちなみに, 本粒子が運動する. そこで磁力線を端が存在しないド稿の冒頭で太陽における核融合反応に関して言及しーナツ型にすれば, 粒子は磁力線に沿って回転し続たが, 太陽での核融合反応は「陽子-陽子連鎖反応」とける. しかし, 磁力線を単純なドーナツ型にすると,呼ばれる, また別の反応が生じている.

ドーナツの上部と下部に異なる電荷の粒子が集まり,それにより電場が生じて粒子が外部に逃げてしまう.

3核融合発電の方法

そのため磁力線を単純なドーナツ状ではなく, ドーナツに沿って磁場を螺旋状にひねった状態にすれば核融合のデメリットで触れたが, 核融合を持続的電場は発生せず, その中にプラズマを閉じ込めるこに引き起こすには燃料を数億度以上の高温, 高密度とができる 5). このような磁場を作るために, 「中心のプラズマ状態にし, その状態を長時間保持させるソレノイドコイル」と「トロイダル磁場コイル」, 「ポ（閉じ込める）必要がある. なぜなら, 燃料である重ロイダル磁場コイル」という 3 つの異なるコイルを水素と三重水素をイオン化させて原子核をむき出し使用する. なお, 磁場によってプラズマは壁から浮状態にし, その上で電気的にプラスである原子核同いた状態で保持され, またプラズマの粒子密度は低士を, 電気的な反発力に逆らって, 高速で衝突させいため, プラズマ温度が数億度程度でも壁面では続けなければ核融合エネルギーを取り出せないため

高々1 千度程度で, 壁面の耐熱性という観点では問題である. 高速で運動する粒子を炉内に閉じ込めるたは無い（このことは 100 度の熱湯には触れられないめの方法の一つとして「トカマク方式」がある（図 2）.

が, 100 度のサウナには入れることと原理は同じである）.
核融合発電の方法には他にも「ヘリカル方式」というのがある. ヘリカル方式では, トカマク方式と同様に, ドーナツ状のねじれた磁場でプラズマを閉じ込めるが, その磁場を作るために, ヘリカルコイルというねじれたコイルを使用する. 装置構造は複雑になるが, ねじれた磁場を維持しやすく定常運転が見込めるという特長をもつ. トカマク方式とヘリカル方式を比較した表を表 1 に示す.
また, 磁場ではなくレーザーを使用した「慣性閉じ込め方式」という, トカマク方式やヘリカル方式とは

図 2 トカマク方式の模式図異なるアプローチで核融合を起こさせる方法もある
トカマク方式とは磁場を利用して, 超高温のプラ（図 3）. 慣性閉じ込め方式では, 重水素と三重水素ズマをドーナツ状にし, それを真空状態にある核融の混合水素ガスを重水素と三重水素の固体で覆った合炉内の中空領域に浮かせた状態で保持することで中空状態のペレット（直径数百ミクロン）を用意する.

ある. プラズマ状態にある原子核と電子はそれぞれその表面部分に強力なレーザーを瞬間的に照射する

表 1 トカマク方式とヘリカル方式の比較表 10)4

みずほリサーチ＆テクノロジーズ技報 Vol.2 No.1と, ペレット内向き方向に超高圧の力が働き（これをュ（仏サン=ポール=レ=デュランス市にある研究機関）爆縮という）, ペレット内部が圧縮される. すると中にて建設中であり, 2025 年度運転開始を目標として心部分の混合水素ガスが数億度程度の超高温になり,いる 12). ここで, 「運転開始」とはプラズマ状態を生核融合反応が起こる. この時発生するヘリウム原子成すること（プラズマ点火）を指し, 実際に発電を行核（アルファ粒子ともいう）が周りの重水素と三重水うのではないことに注意されたい. ITER 計画では, 50素の固体を加熱し, 核融合が連鎖的に発生するよう万 kW の核融合出力を長時間に渡って実現し, 核融になる. これを「中心点火方式」というが, 一度爆縮合エネルギーが科学・技術的に実現可能であることされた状態でさらに高強度・極短パルスレーザーをの「実証」を目標としているため, 発電自体は行わな照射させることで高エネルギー電子を生成させ, こい 13). この成果を基に, 核融合発電を実証するためれにより中心部を加熱させ核融合に至らせる「高速の原型炉（発電実証プラント）への移行判断を 2030点火方式」というものもある.

年代に, さらに実用化への実証を 2050 年までに行うこととしていて, ITER 計画はいわば核融合発電の第一ステップと言える. 2050 年に向けた核融合発電のロードマップを図 4 に示す. 日本の役割として, 核融合炉の主要な装置・機器（超伝導中心ソレノイド,超伝導トロイダル磁場コイルなど）の開発, および「幅広いアプローチ（BA）活動」と呼ばれる, ITER 計画を補完・支援及び原型炉に向けた研究開発を行い,核融合エネルギーの早期実用化を目指す日欧共同プロジェクトを実施している. この BA 活動では, 茨城県那珂市にある核融合実験装置 JT-60SA を用いた,

図 3 慣性閉じ込め方式の模式図

ITER 計画の目標より高い圧力のプラズマ状態の長時核融合の方式として 3 つ紹介したが, 現状ではト間維持に向けた研究開発や, 青森県六ヶ所村にあるカマク方式の研究開発が最も推し進められていて,国際核融合エネルギー研究センターでの原型炉の設ヘリカル方式はトカマク方式に次いで性能を実証し計・研究開発を実施していて, この活動により小型核ている. 慣性閉じ込め方式に関しては,しばらくデー融合炉での高出力のエネルギーが可能となる.

タや知見を蓄積している段階にあったが, 2022 年 124

月 13 日, 米国エネルギー省はローレンス・リバモア

核融合の実現に向けて国立研究所において, 慣性閉じ込め方式による核融合に成功したと発表した 11). この実験では, 2.05 MJ

3 章で示したように, トカマク方式による核融合の（メガジュール）の入力エネルギーに対して, 核融合実現を目指す ITER 計画では国内外の多くの研究機によるエネルギー出力量が 3.15 MJ と上回ったこと関が参画しているが, その一方で核融合発電を実現を実証している.

する（あるいはその装置を開発する）新興企業も増えトカマク方式による核融合の実現を目指している,つつある. その代表例として, General Fusion や TAE

最も代表的なプロジェクトが ITER（イーター：国際Technologies, Commonwealth Fusion Systems がある.

熱核融合実験炉）計画である. ITER 計画は, 日本, 欧

こ れ ら の ベ ン チ ャ ー 企 業 は , General Fusion に は州, 米, 露, 中, 韓, 印が参画する大型国際プロジェ

Amazon.com の 創 業 者 で あ る Jeff Bezos 氏 , TAEクトである. ITER 計画における核融合炉内の大きさ

Technologies には Google 社, Commonwealth Fusion

は高さ約 7m, 外径約 16m で, 炉の本体はカダラッシ

Systems には Bill Gates 氏が出資していることで有

図 42050 年に向けた核融合発電のロードマップ 3)

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名である. このように実業家や投資家の間でも核融これらのベンチャー企業では, 最も早くて 2025 年合ベンチャーに注目が集まっている. その他の国内に発電開始を謳っているところもある. 2025 年と言外の核融合スタートアップを表 2 に整理している.

えば, ITER 計画の運転開始（ファーストプラズマと日本国内においても核融合ベンチャーが勃興しつつ呼ぶこともある）の時期でもある. 近いうちに, 新たあることが分かるが,総資金調達額でみると諸外国のな「太陽」が我々に恩恵をもたらすことに期待したい.

ベンチャーと比べて桁で違うことが伺える.
表 2 国内外の核融合スタートアップ（各社公表資料より作成）

2.pdf

引 用 文 献
1) A. S. Eddington: The Internal Constitution of the Stars,8) 岡野 邦彦，栗原 研一，飛田 健次:「連載講座 よThe Scientific Monthly, Vol. 11, No. 4 (Oct., 1920), pp.

くわかる核融合炉のしくみ 第 12 回 核融合炉実297-303

現に向けて―核融合研究開発の将来像」, 日本原

2) 環境省「地球温暖化対策計画（令和 3 年 10 月 22

子力学会誌, Vol. 48, No. 1（2006）
9) 国 立 研 究開 発 法 人 量 子科 学 技 術 研 究開 発 機 構日閣議決定）」
https://www.env.go.jp/earth/ondanka/keikaku/211022.

量子エネルギー部門「核融合発電 第 08 回 リチhtml

ウム、海水・電池から回収」

3) 内閣官房「成長戦略会議（第 6 回）配付資料」

https://www.qst.go.jp/site/fusion/nks-rensai-08.html

https://www.cas.go.jp/jp/seisaku/seicho/seichosenryak10) 九州大学田中謙治研究室「大型ヘリカル装置」

ukaigi/dai6/index.html

https://www.aees.kyushu-

4) 文部科学省「令和 3 年版 科学技術・イノベーション白書

u.ac.jp/kenji%20tanaka/lhd.html

Society 5.0 の実現に向けて」

11) Department of Energy “DOE National Laboratory

https://www.mext.go.jp/b_menu/hakusho/html/hpaa20

Makes History by Achieving Fusion Ignition”

2101/1421221_00023.html

https://www.energy.gov/articles/doe-national-

5) 国 立 研 究開 発 法 人 量 子科 学 技 術 研 究 開 発 機 構

laboratory-makes-history-achieving-fusion-ignition
12) 国 立 研 究開 発 法 人 量 子科 学 技 術 研 究開 発 機 構

先進プラズマ研究開発「よくある質問」
https://www.qst.go.jp/site/jt60/5248.html

量子エネルギー部門「ITER（イーター）計画」

6) 文部科学省「核融合研究」

https://www.fusion.qst.go.jp/ITER/iter/page1_1.html

https://www.mext.go.jp/a_menu/shinkou/iter/019.htm

13) 文部科学省「ITER 計画」

7) 内閣府「核融合とは何か」

https://www.mext.go.jp/a_menu/shinkou/iter/021/005.

https://www8.cao.go.jp/cstp/siryo/haihu13/siryo5-

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