核融合炉
D + D → T + p {\displaystyle {\rm {D+D\to T+{\it {p}}}}}
D + D → 3 H e + n {\displaystyle {\rm {D+D\to {}^{3}He+{\it {n}}}}}
自然界でも原始星で起きている反応の一つである。地球上の水素全体の中での存在割合は、軽水素が99.985 %、重水素は比率としては0.015 %と僅かではあるが自然界に普通に存在し、主な水素の存在形態である水自体が自然界に無尽蔵に近いほど存在するため、重水素もほぼ無尽蔵に得られる。核融合炉として使用する場合、資源の入手性が非常に良いが、D-T反応の10倍厳しい反応条件を達成する必要がある。D-D反応で生ずるトリチウム、ヘリウム3 をその場で燃焼させる触媒式D-D反応が検討されている。D-D反応を用いた核融合炉が実用化されれば、「プラズマ→電気」という直接的なエネルギー変換が可能なMHD発電も期待できる。なお、JT-60を含む多くの核融合開発を目的とした実験装置において、重水素を使う実験が行われている結果、この反応が起きている。もちろん、投入エネルギーを回収出来る程ではない。
D + 3 H e → 4 H e + p {\displaystyle {\rm {D+{}^{3}He\to {}^{4}He+{\it {p}}}}}
イオン温度が10億度の条件において、反応断面積がD-D反応の5 - 6倍程度の条件とD-T反応程ではないが比較的起こりやすく、発生するエネルギーも荷電粒子である陽子が担い放射性物質も出ないので炉が扱いやすいこと(ただし副反応のD-D反応で中性子が発生する)と、直接電力にエネルギーを変換することが可能なことで注目されている反応である。しかしながら、地球上にはヘリウム3がほとんど存在しないことが大きな問題である。アポロ計画の探査の結果太陽風により月には大量のヘリウム3が存在することが明らかになったが、実用化は非常に遠いと見られる。中華人民共和国の月探査計画はヘリウム3採取を最終目的にしている。
核融合が生み出すエネルギーを回収するために、複数のアプローチが提案されている。最も単純なものは、流体を加熱することである。最初に目標とされるD-T反応は、そのエネルギーの大半を高速の中性子として放出する。電気的に中性である中性子は、磁気閉じ込めの影響を受けない。中性子は炉心プラズマを取り囲むリチウムを含むの厚い「ブランケット」に捕獲される。高エネルギーの中性子が当たると、ブランケットが発熱し、そこに冷却材を通すことで、熱を外に取り出すことができる。最終的に水を加熱し、タービンを回して発電する。
他の燃料を使用する設計、特に陽子-ホウ素核融合反応では、荷電粒子の形でより多くのエネルギーを放出する。このような場合、電荷の動きに応じた電力変換システムが可能である。直接エネルギー変換は、核融合反応生成物を直接用いて電圧を維持する方法として、1980年代にローレンス・リバモア国立研究所(LLNL)で開発された。これは、48パーセントのエネルギー回収効率を実証している。
日本の逆転磁場配位(FRC)方式に基づく D-3He 概念設計炉 アルテミス(ARTEMIS) の開発においては、直線加速器の逆過程を用いて荷電粒子を減速し、発電に利用する進行波型直接エネルギー変換器(TWDEC)が提案され、現在も研究が進められている。
スタートアップのヘリオンエナジーおよびTAEテクノロジーの提案する発電炉は、荷電粒子による直接発電を前提に開発を行っているが詳細は不明である。
核融合炉の研究は1940年代から始まった。
1998年8月7日、日本原子力研究所(日本原子力研究開発機構を経て現量子科学技術研究開発機構)のJT-60は、重水素プラズマ試験において、重水素×三重水素換算で、エネルギー増倍率Q=1.25の出力を確認した。
小型核融合炉について、米国のロッキード・マーチン社は2014年10月16日、10年以内にトラックに積み込める大きさの100メガワット級商用小型核融合炉を開発すると発表した。2013年2月7日に発表された高ベータ核融合炉の続報である。
2015年、九州大学と核融合科学研究所は、それまで理論的には予想されていながら実験で確認されていなかったプラズマの流れが磁場の乱れによって脆弱化する現象の観測に成功した。
2016年3月18日、文部科学省は現在の実証炉ITER(イーター)以降の次世代炉を三菱重工・東芝(東芝エネルギーシステムズ)と共同で研究し2035年頃の建設を目指す予定と日本経済新聞が報じた
2017年8月9日、岐阜県土岐市にある核融合科学研究所は大型ヘリカル装置(LHD / 超伝導核融合プラズマ実験装置)を使った実験で、世界で初めてプラズマ中のイオン温度を核融合発電に必要とされる1億2000万°Cまで達成させることに成功したと発表した。