米国の科学者たちは、核融合エネルギー実験が純増を達成したことを初めて確認した。これは、開始するのに必要なエネルギーよりも多くのエネルギーを放出することを意味し、制御された方法で核融合エネルギーを生成するための物理的基礎を実証している。

この歴史的偉業は、数十年にわたる計画と研究の末、カリフォルニア州のローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）で、国立点火施設の実験を使って行われた。

このマイルストーンには、慣性閉じ込め核融合と呼ばれるプロセスが使われている。この方法では、水素燃料のペレットを入れた消しゴムほどの小さな金色の円筒に、192本のレーザービームで構成される世界最強のレーザーシステムを照射する。これにより、高温のプラズマとX線が発生し、燃料ペレットが圧縮され、エネルギーを放出する核融合反応が始まる。

LLNLのチームは、「2.05メガジュールのエネルギーをターゲットに与え、3.15メガジュールの核融合エネルギー出力をもたらした」と報告している。

核融合エネルギーの目的は、燃料粒子を加熱・圧縮して融合させ、より重い原子粒子を作り、エネルギーを放出させることである。

核融合は太陽のような星の動力源であるが、特定の条件下でのみ発生する。原子が物理的な力に打ち勝って融合するには、巨大な熱と圧力が必要だ。現在の原子力発電所で使われている核分裂とは正反対である。

核融合を発電に利用する高い最終目標は、クリーンで持続可能な膨大な量の電力を生み出すことである。

「正味のエネルギー利得（Net energy Gain）」とは何か、なぜそれが大きな意味を持つのか？

今日の発表は、1マイルを4分未満で走ることや、ライト兄弟による動力飛行機の持続的な制御飛行といった歴史的な節目と同じようなものだ。それまでも、レースで走ったり、グライダーで一時的な飛行を体験した人はいたが、これらのマイルストーンは不可能な夢物語と考えられていた。核融合科学にとって、今がその歴史的瞬間の一つであるように感じる。

核融合実験における純益とは、核融合反応によって、その反応を開始するためにシステムに投入されたエネルギー量よりも多くのエネルギーを生成することを意味する。

これは通常、Qファクターと呼ばれる、投入エネルギーに対する排出エネルギーの比率で測定される。何十年もの間、核融合科学の聖杯はQ>1を達成することであった。

Qファクターが1以上であれば、燃料に投入したエネルギーよりも多くのエネルギーを取り出せることを意味する。これは一般に「科学的損益分岐点」として知られている。今日発表された結果は、Qファクターが約1.5であることを意味する。

この方法で実験を測定する際に複雑なのは、電力網からレーザーに電力を供給する方法や、核融合反応から生じる高エネルギー粒子から電気を生成する方法など、エネルギーの非効率性を考慮に入れていない点だ。現在の発電方法と同じように、100％効率的なプロセスはなく、途中でエネルギーの断片が失われるのだ。

このような影響を考慮した上で、「工学的な損益分岐点」が語られるようになるのです。

実際、核融合発電を実現するためには、10、100、あるいは1,000といった高いQファクターが必要ではないかという意見が多いようだ。核融合コミュニティが今後目指すのは、この点である。

この結果は、他の核融合実験と比較してどうなのか？

核融合反応を閉じ込めるための世界的なアプローチとして、LLNLで行われているようなレーザーではなく、磁場を使った方法が最もポピュラーである。この方法は磁気閉じ込め核融合と呼ばれている。この方法では、燃料を加熱して原子から電子を追い出し、電子と正電荷の原子核からなるプラズマを作る。そして、この原子核を融合させるのだ。

この核融合装置のプラズマは太陽の中心部よりも高温なので、装置の壁を傷つけないように、強い磁場でプラズマの形や方向を制御しているのだ。

磁場閉じ込め装置では、繰り返し1億度を超えるプラズマ温度に達しているが、現在までのところ、このような装置で正味の利得は得られていない。フランスで建設中の国際熱核融合実験炉（ITER）でうまくいけば実現する計画が進行している。

ITERは世界最大の科学実験で、Qファクター10に達するように設計されており、50メガワットの入射電力から500メガワットの核融合電力を生み出すことができる。

ここからどうなるのか？

今のところ、この結果は科学界にとって、新しい商業的な電気の代替手段を待っている人々よりも、ずっと大きな意味を持つ。そのためには、もう少し辛抱強くなる必要があるだろう。

レーザーであれ磁気閉じ込めであれ、商業的に成立する核融合発電を実現するためには、世界中の核融合科学者がその道を歩み続ける必要がある。この道を歩み続けることで、必要な技術の開発が進み、より高いQの値への階段を上り続けることになるのだろう。

短期的には、この結果は、政府および民間企業による慣性閉じ込め核融合実験や、できれば他の核融合コンセプトに対するより具体的な計画や資金提供につながるものと思われる。

例えば、今日のLLNLの発表を受けて、アメリカはこの結果を基にした慣性核融合プログラムに対して6億ドル以上の資金を投入することを決定した。これは、2022年に発表された “Bold Vision for Commercial Fusion Energy“へのコミットメントに加えられるものだ。

この成果は、国民、政府、投資家に対して、科学的・工学的に解決困難な問題であるにもかかわらず、私たちが真の意味で前進していることを示す画期的な瞬間と言える。

ライト兄弟が初めて空を飛んだ後、最初の民間航空便を就航させるまでには、長い年月と多大な労力を要した。それと同じように、核融合の商業化にも前途は開けているが、そこに至るまでには資源と努力を惜しんではならないのだ。

本記事はThe Conversationに掲載された記事「A major ‘fusion breakthrough’ was just officially announced in the US. But what does it actually mean?」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。