核融合発電はなぜ地球では太陽より10倍高温なのか

太陽より熱く、いつも30年先

地球で核融合を起こすには、燃料を太陽の中心温度の10倍まで加熱します。太陽の中心温度は約1500万度です。地上で最も一般的な核融合装置は、燃料を約1億5000万度まで加熱します。なぜ太陽そのものより高温が必要なのでしょうか。

核融合研究者の古い冗談です。核融合発電はいつも30年先です。Googleで「核融合はいつも」と打つと、「30年先」が出ます。核融合は太陽が輝く仕組みで、軽い原子核が結び付きエネルギーを放出します。核融合発電所も地球で同じことをし、エネルギーを電気に変えます。

2022年12月、カリフォルニアのレーザー研究所は、核融合実験が燃料に届いたレーザー光を超えるエネルギーを出したと発表しました。世界中の見出しは、これを突破口と呼びました。2026年、中国は2030年ごろの核融合発電実証を目指す装置を建設中です。アメリカの新興企業は、2028年末までの核融合発電所送電網接続を契約しています。

地球最大の核融合計画、仏ITERは2039年に本物の核融合燃料を使い始めます。核融合はもうすぐか、まだ30年先か。この冗談は妥当でしょうか。あの高温が理由でしょうか。太陽は1500万度で足りるのに、なぜ地球では1億5000万度なのでしょうか。

太陽には1,500万 °Cで足りる

問題は、原子核どうしが反発することです。すべての原子核は正の電荷を持ち、同じ電荷どうしは反発します。核融合では反発を越え原子核が十分近づく必要があります。高温ほど速く動き、近づきます。古典物理学の法則だけなら、太陽の中心の陽子は、そこまで近づくには遅すぎます。

その法則なら、太陽は輝けません。量子トンネル効果がそれを可能にします。原子の世界では、障壁を越えるエネルギーがない粒子も、ごく小さな確率で反対側に現れます。丘を越えられないほど遅い球が、ときどき向こうに現れるようなものです。

太陽の核融合連鎖の最初にも別のまれな出来事が必要です。二つの陽子の一方がちょうどよい瞬間に中性子になります。これらが重なると、中心部の典型的な陽子は核融合まで約100億年待ちます。太陽はなぜあれほど明るく輝くのでしょうか。重力が中心部を1立方センチメートルあたり約150グラムまで圧縮します。

これは金のおよそ8倍の密度です。中心部は巨大なので、非常にまれな反応も毎秒膨大な回数起こります。太陽中心の1立方メートルが出す熱は、わずか約250から300ワットです。同じ大きさの堆肥の山と同程度で、人体より少ない熱です。

太陽は激しい炉でなく、重力でまとまり何十億年も待てる、ゆっくりした炉です。地球には強い重力も星ほど大きい中心部も、何十億年も待つ時間もありません。だから地球では温度を上げます。

なぜ地球では1億5,000万 °Cが必要なのか

地球で最も起こしやすい核融合は、水素の重い同位体どうしです。重水素は中性子を1個余分に持つ水素で、水から取り出せます。三重水素(トリチウム)は中性子を2個多く持つ水素で、世界にはほとんどありません。両者が融合すると、ヘリウム原子核と高エネルギー中性子を生みます。

十分な頻度で起こすには、燃料を約1億5000万度に加熱します。その温度では、普通の気体は残りません。電子が原子を離れ、自由電子と荷電原子核の熱いスープになります。これがプラズマです。プラズマは雷やネオンサインにもあります。ただし核融合装置でははるかに高温で、水素はむき出しの原子核です。

ただし、熱だけでは足りません。1955年、物理学者ジョン・ローソンは、核融合出力が加熱投入を上回る燃料条件を導きました。答えは燃料の密度、温度、熱を保つ時間の積です。この3つの積を三重積、必要な最低値をローソン条件と呼びます。

たき火は、十分熱く薪が近く、熱がすぐ逃げなければ燃え続けます。フランス原子力・代替エネルギー庁CEAによると、トカマクの最適温度はドーナツ形の核融合装置なら、約1.5億から2億度です。プラズマは1秒以上エネルギーを保つ必要があります。

1秒は短く聞こえますが、燃料は太陽中心の10倍も高温です。2025年5月、ドイツのヴェンデルシュタイン7-Xは、43秒維持したプラズマの三つの値の積で世界記録を出しました。こうした記録は目標そのものではなく、その途上です。

1億5,000万 °Cをどう閉じ込める？

1億5000万度をどう閉じ込めるのでしょうか。どんな材料も触れません。多くの研究所が選んだ答えは磁石です。プラズマは荷電粒子からなり、荷電粒子は磁力線に沿って動きます。

トカマクは強力な磁石で包んだドーナツ形真空容器です。磁石がプラズマを壁から浮かせます。名前はロシア語で「磁気コイル付きトロイダル容器」の略です。プラズマはじっとしていません。ねじれ、膨らみ、漏れます。手でゼリーを抱えるようです。

乱流や不安定性と呼ばれる渦や急な揺れが、熱を壁へ運び出します。1982年、独ミュンヘン近郊のASDEXトカマク研究者は、ある状態を見つけました。熱を大幅によく保つ高閉じ込めモード、H-modeです。ただしH-modeでは、プラズマ端部でELM、エッジ局在モードという急な噴出も起きます。

ITERほど大きい装置では、壁の一部を溶かすほど強くなりえます。もう一つは磁石を使わず、小さな燃料カプセルをレーザーで急圧縮し、飛散前に燃やす方法です。これは慣性閉じ込めと呼ばれます。後で戻りましょう。

1968年: ソ連のドーナツ

磁場閉じ込め核融合は長年苦戦しました。米プリンストンでは、別種の磁場閉じ込め装置ステラレータが100万度を超えられず、熱も1000分の1秒超しか保てませんでした。1968年8月、世界中の核融合研究者がシベリアのノヴォシビルスクの会議に集まりました。

レフ・アルツィモビッチ率いるソ連チームは、T-3が1000万度超と報告しました。しかも熱を数十ミリ秒保ちました。多くの西側の科学者は信じませんでした。ITER史によると、プリンストン研究所長メル・ゴットリーブはアルツィモビッチに「不可能だ！」と言いました。

ITERはソ連の結果を雷鳴と呼びます。冷戦のさなか、英国の科学者チームは自ら測定するためモスクワへ向かいました。英国原子力公社はこれを「鉄のカーテンを破る、ほぼ前例のない出来事」と呼んでいます。英カルハム研究所の少人数チームは1969年春に到着しました。

自前のレーザーを含む、約5トンの機材を持ち込みました。手法はトムソン散乱です。プラズマにレーザーを当て、散乱で電子温度を測ります。8月初めまでに、約88回のショットを行いました。チームの一人、マイク・フォレストは後に「少し怖かった」と語りました。

測定した温度の大半は1000万度台でした。彼らは1969年に結果をNature誌に発表しました。ソ連の主張は裏付けられました。プリンストンはステラレータ一基をトカマクに改造し、約6か月後にソ連の結果を再現しました。

米仏日独の研究所がトカマクに切り替えました。ドーナツ形が勝ち、ITERもトカマクです。設計が成功し、楽観と計画が増えました。

「30年先」はどこから来たのか

1976年7月、米エネルギー研究開発局ERDAは核融合発電計画を公表しました。翌年、ERDAの業務は新設のエネルギー省に移管されました。計画は一つの日付ではなく、五つを示しました。Logic OneからLogic Fiveの五つの資金経路と各実証炉の時期を示しました。

実証炉DEMOは実験の次の段階で、核融合が実際に発電できると示す発電所です。最上位Logic Five、"maximum effective effort"は「合理的な要求をすべて即時承認する」経路でした。この経路は、1990年ごろの実証発電所を目指しました。Logic Four、"accelerated"は1990年代前半から半ばが目標でした。

Logic Three、「aggressive」は基準計画で、実証炉は1998年でした。報告書はこの経路を、1978年から実証炉運転開始まで1978年ドルで約155億ドルと見積もりました。年間総支出は1976年の約1億6000万ドルから1990年代半ばの約10億ドルへ増える計画でした。Logic Two、"moderately expanding"は実証炉が21世紀初頭に動く可能性でした。

Logic Oneは基礎理解のため、一定水準で研究する経路です。報告書はこの経路の日付を示しませんでした。「このペースが続けば、実用的な核融合発電所は決して完成しないかもしれない」と述べた。1976年計画は予測一つでなく、価格ごとに日付のある選択肢でした。

少なくとも書類上、議会は速い経路を選びました。1980年10月、磁場閉じ込め核融合エネルギー工学法は実証発電所建設を目標とした。2000年が期限で、後にディーンは200億ドルの20年事業と呼びました。ディーンの2004年米国計画史は「同法の規定は一度も実行されなかった」と述べます。

ディーンは「1980年以来下り坂」と表現しました。1990年代半ば、当時のドルで1995年3億6500万ドルから1997年2億2500万ドルへ再削減されました。1978年ドル建てのディーンの図では、計画額は90年代半ばに年約10億ドル、実予算はその5分の1未満です。ネットで、実予算と"fusion never"線を重ねた1976年図表を見たかもしれません。

そのラベルは原図になく、報告書はLogic Oneが発電システムに至らないかもしれないと述べるだけです。報告書の表から描き直しました。広く出回る図にも正しい点はあります。原図のLogic One運営予算だけでも年約2億ドルです。80年代後半以降、ディーンの図では磁場閉じ込め核融合の実総予算はその線を下回ります。

1976年計画の日付には費用が付き、全額は払われませんでした。「いつも30年先」も完全には正しくありません。2023年、日本の研究者3人は1985年から2022年の公表予測45件を集め、傾向線を引いた。傾向線では30年前は19.3年先、20年前は28.3年先、10年前は27.8年先でした。

2022年、この傾向で核融合は17.8年先でした。数字は動きます。まだゼロではありません。金だけではありません。資金が十分な装置も本当の難しさを学びました。

記録: JETからNIFへ

欧州の主力トカマクは英カルハムの共同欧州トーラス、JETでした。1991年、JETは初の重水素と三重水素(トリチウム)運転で、核融合出力1.8メガワットを得ました。1997年、JETは一瞬16メガワットのピークに達し、別の長いショットで約22メガジュールを放出しました。1メガジュールは1000ワットの電子レンジ17分分です。

2021年12月、JETは5秒のパルスで59メガジュールを生みました。それでも核融合出力は投入加熱出力の約3分の1でした。2023年の最終実験でJETは、わずか0.21ミリグラムの燃料から約5秒で69メガジュールという記録を出しました。2023年末、JETは永久停止しました。

レーザー方式はさらに進みました。カリフォルニア、ローレンス・リバモア国立研究所の国立点火施設NIFは、巨大レーザーを小さな燃料カプセルに照射します。2022年12月5日、レーザーは標的へ2.05メガジュールを届け、核融合は3.15メガジュールを出しました。研究所は、標的に届くレーザーエネルギーを上回る核融合エネルギーを点火と呼びます。

一度きりではありません。2025年4月、NIFは2.08メガジュールのレーザー光から8.6メガジュールを得、利得は約4でした。2026年10月までに11回点火し、4月のショットがなお記録でした。点火も遅れ、NIFの目標は2012年末でした。

2012年9月の計画終了時も、目標の約10分の1でした。点火は10年遅れましたが、実現しました。

点火は発電を意味しない

核融合は使った以上のエネルギーを生んだのでしょうか。まだです。2022年の発表で所長は、2メガジュールのレーザー光には壁から約300メガジュール要ると述べました。核融合が出した三点一五メガジュールの約百倍です。3段の階段と考えましょう。

第1段は科学的利得です。核融合出力を燃料に届くエネルギーで割ります。NIFではそれが標的に届くレーザーです。1を超えれば、標的は受け取った以上を返します。NIFは第1段を越え、最高利得は約4です。磁場閉じ込め装置は第一段階に届いていません。JETの最高値は千九百九十七年に一瞬だけ約ゼロ点六で、二千二十一年の記録パルス平均は約三分の一でした。

第2段は工学的利得です。発電所の送電電力を全消費電力で割ります。レーザーや磁石、ポンプ、冷却など全てを含みます。電源からの消費エネルギーで数えると、3.15メガジュールは使った300メガジュールの約1%でした。この段階で1に達した核融合装置はありません。

第3段は日々送電網へ売電することです。まだ誰もいません。ITERも第1段の装置です。50メガワットの加熱から500メガワットの核融合出力を作る設計で、利得は10です。ITERは「生む熱を電気に変換しません」と言います。

言葉も変わります。Helionは以前、見出しで使った"net electricity"を「核融合業界で明確に定義されていなかった」と今では説明しています。"net energy"の見出しには、何を差し引いた正味かと問うべきです。当時ローレンス・リバモア所長のキム・ブディルも2022年は慎重でした。

発電所まで何年か問われ、「おそらく数十年」と答え、続けました。「60年でも、以前言った50年でもないと思います。」彼女は、協調した努力と投資で「基盤技術を数十年研究すれば」「基盤技術で発電所を造れるかもしれない」と言いました。

数十年。あの冗談です。

燃料と壁

プラズマ出力が加熱投入を上回っても、燃料と壁の2つが残ります。核融合燃料は海水由来だとよく聞きます。重水素も、三重水素(トリチウム)原料のリチウムも海水から来ます。ただし三重水素(トリチウム)は放射性で半減期は12.3年です。

備蓄の約半分は12年後に失われ、長く蓄えられません。ITERは世界の三重水素(トリチウム)在庫を「数十キログラム」と見積もります。すぐ使える供給源はCANDU核分裂炉だけです。ITERは「史上断然最大の三重水素(トリチウム)消費者になる」と述べます。

2008年のITER記事では、核融合熱1ギガワットの発電所は年約56キログラムの三重水素(トリチウム)を燃やすとしました。核融合熱1ギガワットの発電所は1年で、世界の三重水素(トリチウム)在庫とほぼ同量を燃やします。計画では発電所が自ら作ります。反応中性子がプラズマを囲む増殖ブランケットのリチウムに当たり、三重水素(トリチウム)とヘリウムに変えます。

ITERは小型ブランケットモジュールだけを試験します。発電所が燃やす全三重水素(トリチウム)を実規模で増殖できることは、まだ示されていません。2つ目の問題は壁です。高エネルギーの核融合中性子は、プラズマ周辺の材料を徐々に損傷し、放射化します。

欧州はこの条件下の材料試験施設IFMIF-DONESをスペイン、グラナダに建設中です。建設は2023年までに始まり、約10年の見込みです。2025年10月、米エネルギー省は材料、燃料サイクル、ブランケットなど残る課題を挙げた核融合ロードマップを公表しました。2030年代半ばの送電網への核融合発電を目指しますが、ロードマップは同省の資金水準を約束しません。

問題は核融合が働くかでなく、発電所が何年も動けるかです。

2026年の競争

民間資金も流入。業界団体集計で、核融合企業は2026年7月までの1年に過去最高45億ドルを調達しました。2025年1月、中国EASTは1億度の高閉じ込めプラズマを1066秒、約18分保ちました。数週間後、仏WESTトカマクはより低温のプラズマを1337秒、約22分保ちました。これはエネルギー量でなく、プラズマ維持時間の記録です。

中国は合肥で新トカマクBESTを建設中です。2026年10月、中国国営テレビは組立の半分超が完了し、2027年末の完成予定と報じました。目標は二千三十年ごろ、重水素とトリチウムによる核融合発電を実証することです。中国科学院は目標を「世界初の核融合発電」と呼びます。

2025年7月、中国の国有原子力企業は上海に核融合会社を設立しました。登録資本金150億元、約21億米ドルです。CSISは、中国の2023年から2025年の核融合向け公的資金は少なくとも65億ドルとの推計を引用します。同期間、米エネルギー省の核融合科学計画は約23億ドルでした。

外部推計で、中国は総額を公表していない。ITERも進展中です。二千二十六年十月二日、ITER真空容器の全九区画のうち、最後の一つが現地に到着しました。欧州製は五区画、韓国製は四区画です。2026年7月、9基中6基のセクターモジュールがトカマクピットに入り、ITERはプラズマ容器の3分の2が設置済みとしました。

2024年、ITERは日程を延期しました。以前、初プラズマは2025年予定でした。今は研究運転を2034年に開始し、重水素と三重水素(トリチウム)燃料を2039年に使います。ITER事務局長は遅延追加費用を約50億ユーロ、Physics Worldは総額を「数百億ユーロ」とします。民間企業も競争中です。

マサチューセッツ州デベンズでCommonwealth Fusion Systemsは小型トカマクSPARCを組立中です。同社は2027年に投入以上の核融合エネルギーを実現するとします。2025年6月、Googleは同社初の発電所から200メガワットを買う契約を結びました。同社はARCを2030年代前半にバージニア州送電網へつなぐ見込みです。

ワシントン州Helionは別設計です。2026年2月、試作機がプラズマが1億5000万度に達し、測定可能な重水素と三重水素(トリチウム)核融合を起こしたと発表しました。Microsoftとの契約は、最初の発電所の2028年末までの送電網接続と運転開始を定めます。TAE Technologiesは2025年12月、60億ドル超の全株式取引でTrump Mediaと合併に合意しました。

2026年10月時点で取引は未完了、両社は年末完了を目指します。韓国KSTARは2024年初め、イオンを1億度で48秒保ちました。当時の目標は2026年までに300秒でした。2026年、韓国の新国家核融合計画を報じた記事は目標を2030年代半ばとしました。

問いに戻ります。なぜ日付は動き続けるのでしょう。

なぜ予定は延び続けるのか

NIFは2012年予定の点火を2022年に達成。ITERは初プラズマを2025年に予定し、研究運転は今2034年です。SPARC。2018年、MITとCommonwealth Fusion Systemsは15年内に稼働するパイロット発電所を目指しました。SPARCは今も2027年試験に向け組立中です。

Helionは以前「2028年に発電」としたが、2026年には「2028年に初期運転を開始する」へ変えました。広報担当者は2026年会議で「どんな世界でも2028年に50メガワットは本格稼働しない」と言いました。フル出力は2029年か2030年だと彼女は言いました。一因は、これらがすべて初めての装置だからです。

ITERの一つのセクターモジュールは「クリティカルパス上」で、そこが遅れると後も全て遅れます。建設して動かして初めて現れる物理もあります。ITER事務局長ピエトロ・バラバスキは「核融合はイノベーション計画と考えるべきだ」と言いました。イノベーションに列車時刻表は通じません。

もう一因は1976年です。日付は得られなかった資金が前提でした。

核融合は必要な時に間に合うのか？

では冗談は妥当でしょうか。半分は違います。1976年は各日付に費用が付き、最も遅く資金の少ない経路は、核融合発電が決して建設されないかもしれないとしました。予測がいつも30年先だったわけでもありません。もう半分は妥当です。核融合は太陽中心の10倍の温度、作る燃料、耐える壁を要し、本当に難しいのです。

T-3を率いたレフ・アルツィモビッチは、核融合は人類が本当に必要とする時に実現すると言ったとされます。1976年、必要性は書類上にあっても、資金は来ませんでした。2026年、政府とテクノロジー企業は何十億ドルも投じています。残るのは燃料、材料、核融合熱を売れる電気に変えることです。

10年でも30年でも、今回は日付が記録にあるので確かめられます。太陽は何十億年もゆっくり核融合を続けています。地球では10倍の高温で期限までにやろうとしています。