核融合とは？そしてどのように機能するのでしょうか？

現在、原子力発電所は分裂プロセスを利用してエネルギーを生成しています。核分裂とは、U-235のような重い原子を2つのより軽い原子に分裂させるプロセスです。この反応によって、利用可能な大量のエネルギーが放出されます。 

核分裂は、U-235に中性子を照射することで開始されます。中性子がU-235原子に衝突すると、さらに中性子が放出され、それらが別のU-235原子に衝突することで連鎖反応が発生します。この反応では電磁放射線が発生する場合もあります。エネルギー生成を最大化するためには、核分裂に使用される中性子数を適切に制御する必要があります。 

核分裂炉は、一般的な火力発電所と同様の方法でエネルギーを利用します。 
核分裂は原子炉容器内で発生し、制御棒によって反応が調整されます。反応によって生じた熱は水を加熱して蒸気を発生させるために利用されます。その蒸気がタービンを回転させ、電力を生み出します。使用済み燃料は放射性を有しており、半減期が1万年以上に及ぶ場合もあるため、安全に処分するための追加工程が必要となります。多くの場合、原子炉の廃止措置にかかる費用は、初期設備投資額の最大15％に達します。

核分裂燃料を作るためには、まず濃縮工程が必要です。天然ウラン鉱石中に約0.7％含まれるウラン235の濃度を、核分裂に必要な4〜5％まで高めます。この工程は1,000〜2,000段階の遠心分離機を用いて行われます。そのために、ウラン鉱石はまずUF6ガスへ変換され、処理された後、濃縮工程を経て燃料ペレットへと加工されます。この遠心分離プロセスは、特定の真空条件下で厳密に管理されています。

2026年2月時点で、正味発電容量約400GWeを有する416基の原子炉が31か国で稼働しています。これらの原子炉は世界の電力需要のおよそ9％を供給しています。さらに70基の原子力発電炉が建設中です。ウラン鉱石は10か国で採掘されており、そのエネルギー密度は化石燃料の約70,000倍とされています。原子力発電所の建設費用は20億ドルから200億ドル程度ですが、より小型で低コストな設備の開発も可能と考えられています。

核融合を実現するため、さまざまなアプローチが提案されています。ただし、現在主に研究開発が進められているのは、以下の2つの閉じ込め方式です。

磁場閉じ込め核融合 (MCF) は、商業用エネルギー生成を実現するための最も有望な方法の一つと考えられています。超強力な超電導磁石を利用してプラズマを閉じ込める方式であり、磁石の冷却と装置性能の最適化のために液体ヘリウムが使用されます。

代表的な磁場閉じ込め装置には、トカマク と ステラレーターがあります。また、一部の研究施設では 磁気ミラーを利用した装置も試験されています。これら3種類の装置はいずれも、プラズマを閉じ込めて核融合反応を発生させる中央真空容器（真空チャンバー）を備えています。この真空容器の周囲には、超電導磁石を収容・冷却するためのクライオスタット（低温容器)が配置されています。トカマクはドーナツ型のトーラス形状、ステラレーターはねじれたリボンのような形状をしており、磁気ミラー装置は円筒形状です。磁場が継続的に原子を押し付け合い、さらに超高温環境によって「プラズマ点火」が可能になります。 

慣性閉じ込め核融合（ICF)は、もう一つの主要な核融合閉じ込め方式です。この技術では、 直径1～3 mm程度の重水素・トリチウム（DT）燃料ペレットにレーザーまたは荷電粒子ビームを照射し、燃料を圧縮・加熱して点火状態を実現します。ここでの点火とは、生成されたすべてのアルファ粒子がプラズマ中で停止し、そのエネルギーによってプラズマ自体が加熱される状態を指します。

圧縮と加熱は、1～10ナノ秒程度の短パルス高出力レーザー、X線、またはイオンビームを用いて極めて短時間で行われます。これらのビームは多方向から燃料へ照射されます。直接照射方式は、圧縮エネルギーパルスを燃料ペレットに直接照射します。間接照射方式 ICF 技術では、燃料ペレットを小型金属容器（ホールラウム / 燃焼室）内に配置します。レーザーはまずホールラウムへ照射され、そこで生成されたプラズマがX線を放出します。そのX線が燃料ペレットに吸収され、直接照射方式と同様にペレットを圧縮します。ただし、間接照射方式は直接照射方式に比べて大幅に効率が低くなります。この手法は核兵器シミュレーションにも利用されています。

ICFで発電を行う場合、燃料ペレットを真空反応チャンバー内へ投入して点火させます。プラズマから放出される放射線と核融合中性子は液体リチウムに吸収され、その熱を利用して従来型の蒸気発電を行います。また、リチウムから生成されたトリチウムは新たな燃料として再利用されます。

核融合は、持続的な点火が実現した場合、商業炉では年間わずか約250kgの燃料から膨大なエネルギーを生み出す可能性があります。

融合の主な利点は、化石燃料と比較して燃料資源が豊富であること、温室効果ガスなどの有害副産物をほとんど排出しないこと、核分裂と比較し、本質的に安全であることです。 

核融合には、核分裂と比較して、次のような利点があります。 

• 核融合反応で放出される中性子は人体に有害であるものの、適切に閉じ込めることが可能であり、運転停止後は中性子の発生もほぼ即座に停止します。  
  
• 連鎖反応、ランアウェイ、メルトダウンがないため、本質的に安全です。
  
• 極めて高温のプラズマを扱いますが、万が一漏出しても急速に冷却・拡散するため大きな被害を防ぎます。
  
• ニュートロンは危険であるものの、遮蔽によって比較的容易に防護が可能です。
  
• 核融合によって放射性廃棄物が生じることはありますが、その多くは核分裂炉の廃棄物ほど長期間にわたって高い放射能を持ち続けるわけではありません。中性子照射によって放射化した炉容器や構造材料も廃棄物に含まれますが、一般的には核分裂由来の高レベル放射性廃棄物より管理期間が短くて済みます。 
  
• 核融合廃棄物は処分・保管・再処理のために輸送する必要がありません。

核融合炉に求められる真空レベルは、閉じ込め方式や炉の規模によって異なります。

磁場閉じ込め方式で最も大きな真空需要があるのは、中央真空チャンバーと周囲のクライオスタットです。プラズマ汚染を防ぐためにこれらの容積は100 m³ を超える場合もあり超高真空UHV（約 10^-9 hPa）が必要です。

真空は、トリチウムの製造、ヘリウムの排気、燃料の再循環の用途にも使用されます。慣性閉じ込め方式では、反応チャンバーだけでなく、レーザーや粒子ビームのビームラインも真空化する必要があります。

これらの大容量システムでは、ビーム損失や収差を防ぐために超高真空が求められます。ターボ分子ポンプやクライオポンプが最も一般的に使用されており、高放射線環境や強磁場環境にも耐える必要があります。同様の課題は、一次ポンプセット、真空計、バルブにも当てはまります。

真空ポンプの主な要件の 1 つは、トリチウムを処理できることです。つまり 、金属シール構造が推奨され、ポンプはフッ素・ハロゲンを含まないこと、炭化水素フリーであることです。 

磁場閉じ込め方式ではさらに、強磁場下で動作が可能であること、必要に応じて磁気シールドを備えていることが重要です。 反応チャンバー周辺のスペースは非常に限られており、シャットダウンは非常に高価であるため、ポンプはコンパクト設計、最小限の保守頻度で高い信頼性を備えている必要があります。