米エネルギー省は2022年12月、核融合科学における大きな科学的ブレークスルーを報告した。核融合反応から初めて、着火に使われたエネルギーよりも多くのエネルギーが放出されたのだ。
この偉業は実に歴史的なものであるが、核融合エネルギーの前途について一歩立ち止まって考えることは重要である。
私たちはカールトン大学の持続可能・再生可能エネルギー工学の教授であり、低炭素の未来に向けた代替エネルギー技術やシステムの研究を行っている。
また、研究室での知見から実社会での応用に至るまで、危険な地形をどのように乗り越えるかを学生に教えている。
システム境界の定義
潜在的な核融合エネルギー発電所の効率はまだわからない。報告された核融合のネットゲインは、実際には約300メガジュールのエネルギー入力を必要としたが、これはエネルギーゲインの計算に含まれていなかった。このエネルギーゲインは、192個のレーザーに電力を供給するために必要であり、電力網から供給されている。
言い換えれば、この実験はカナダの一般的な家庭が2日で消費するエネルギーと同程度のエネルギーを使用したことになる。そうすることで、核融合反応は、わずか14個の白熱電球を1時間点灯させるのに十分なエネルギーを出力した。
核分裂も同様で、これは現在の原子力発電所内での反応である。核燃料の核分裂性成分であるウラン235を1キログラム完全に核分裂させると、約77テラジュールのエネルギーを発生させることができる。しかし、そのエネルギーをすべて熱や電力のような有用な形に変換することはできない。
その代わりに、核分裂の連鎖反応を制御し、発生したエネルギーをより有用な形に変換できる複雑なシステムを設計しなければならない。
核分裂反応で発生する熱を利用して蒸気を作るのだ。この蒸気が発電機に接続されたタービンを駆動し、電気を発生させる。このサイクルの全体的な効率は40％未満である。
さらに、燃料中のウランがすべて燃焼されるわけではない。使用済み燃料には、全ウランの約96％、核分裂性ウラン235の約5分の1が残っている。
使用済み核燃料のウラン量を増やすことは可能であり、現在進行中の課題である。核燃料の巨大なエネルギーポテンシャルは、現在、そのエネルギーを有用な形に変換するという工学的課題によって緩和されている。
科学から工学へ
最近まで、核融合は工学的な課題ではなく、主に科学的な実験として捉えられてきた。この状況は急速に変化しており、規制当局は現在、現実の世界でどのような展開があり得るかを調査している。
将来の核融合発電所の効率に関係なく、エネルギー変換を基礎科学から現実の世界に持ち込むには、多くの課題を克服する必要がある。
核分裂は、現在の核融合と同じ課題の多くに直面していたため、私たちはその歴史から多くを学ぶことができる。核分裂もまた、商業産業が軌道に乗る前に、科学から工学へと移行しなければならなかった。
核融合エネルギーの科学は、核分裂と同様、核兵器開発の努力に根ざしている。特筆すべきは、核爆弾の開発に貢献した何人かの核物理学者が、”この発見が単なる兵器ではないことを証明したかった”ということである。
原子力発電の初期の歴史は、楽観的なものだった。技術が進歩し、増え続けるエネルギーの必要性を満たすことができるようになると宣言したものだった。やがて核融合発電が登場し、電気は “安すぎて計れない”ものになるだろう。
教訓
原子力の誕生から70年、私たちは何を学んだのだろうか。第一に、産業界が特定の製品やシステムに依存するようになった場合に発生する、技術ロックインの壊滅的なリスクについて学んだ。
今日の軽水炉（水素同位体で濃縮された水ではなく、通常の水を使用する原子炉）は、その一例である。軽水炉が選ばれたのは、それが最も望ましいからではなく、他の理由があったからである。
これらの要因には、これらの設計に有利な政府補助金、潜水艦や水上軍艦用の小規模加圧水型原子炉の開発に関心を寄せていた米海軍、米国の核兵器開発計画の結果としてのウラン濃縮技術の進歩、大型軽水炉は小型軽水炉の単なるスケールアップ版であるという仮定につながった核コストに関する不確実性、原子力開発に伴う高いコストとリスクを考慮した設計選択に関する保守主義などがある。
それ以来、私たちは他の技術に移行しようと奮闘してきた。
第二に、私たちはサイズが重要であることを学んだ。大型の原子炉は、小型の原子炉よりも単位容量あたりの建設コストが高い。言い換えれば、技術者たちは規模の経済の概念を誤解し、その過程で自分たちの産業を破滅させたのだ。
大規模なインフラ・プロジェクトは、膨大な労働力と調整に依存する極めて複雑なシステムである。管理は可能だが、予算は超過し、スケジュールは遅れるのが普通だ。モジュール技術は、より手頃な価格、コスト管理、経済性を示すが、超小型・小型原子炉もまた、経済的な課題を抱えることになる。
第三に、核融合に対する規制体制を整備しなければならない。もし産業界が第一世代の設計を中心にあまりに早くまとまりすぎると、将来の原子炉の規制にとって深刻な結果を招きかねない。
第四に、新しい発電所の立地選定と社会的受容が鍵となる。核融合が有利なのは、その技術が核分裂よりも世論を白紙に戻すことができるからである。慎重に設計を決定し、地域社会との関わり方のベストプラクティスを採用することで、核融合に対して国民が抱く肯定的なイメージを維持しなければならない。
同じことが、産業界が廃棄物問題をどう扱うかについても言える。核融合炉は大量の廃棄物を発生させるが、核分裂炉が発生させるような廃棄物ではない。
行動への呼びかけ
原子力エネルギー革新に関する我々の調査から、核融合が直面する課題は克服可能であるが、それには慎重なリーダーシップ、数十年にわたる研究、多額の資金、そして技術開発への集中が必要であることが明らかになった。
核分裂技術の進歩には数十億ドルが必要であり、核分裂については核融合よりもはるかに多くの経験がある。政府、電力会社、起業家が、資金提供への意欲を示さなければならない。
核融合の将来性は広大であり、民間企業を含め、最近のブレークスルー以外でも核融合を前進させるためのエキサイティングな研究が行われている。核融合が私たちのエネルギー・システムに有意義に貢献できるようになるには、何十年にもわたる研究開発が必要である。
核融合の技術者、研究者、産業界、政府は、第一世代の発電所の設計を含め、核融合が直面する課題を調査し、緩和するために組織化されなければならない。
気候の破局から地球を救いたいのであれば、エネルギーシステムの深く急速な脱炭素化に代わるものはない。私たちは、新しくより良いエネルギー・ソリューションを設計する次世代のエネルギー・エンジニアを育成していることを誇りに思う。
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