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1グラムで石油8トン分。“太陽”を人工的に作る技術、核融合発電は脱炭素の切り札となるか?

2020年10月、菅義偉首相の所信表明演説で述べられた、2050年までの脱炭素宣言。

以降、国内では再生可能エネルギー導入の機運が高まっています。

再生可能エネルギーの活用を進めていくことは、原子力発電と距離を取りながら脱炭素の取り組みを進めていく上での、一つの回答だといえるでしょう。

実際、12月のサイエンス思考では、日本ではまだ再生可能エネルギーを導入できる可能性が多分に残されていることを紹介しました。

しかし、いくら再生可能エネルギーの導入可能性があるとはいえ、再生可能エネルギーには気象条件に応じて発電量が変動するリスクが付きまといます。

いざというときのために、臨機応変に出力を変えることができる火力発電や、安定的に大量の電力を確保できる原子力発電をどこまで利用するのか、日本の今後のエネルギー政策を考える上では、検討しなければならない課題が山積しています。

しかし、火力発電には二酸化炭素を排出してしまうという問題はもちろん、日本では燃料となる資源を輸入に頼らざるをえないという課題があります。原子力発電も、いまだ安全面に対する不安は根強く、高レベル放射性廃棄物の最終処分問題も決着のいとぐちがつかめない状況です。

もう、ほかに取りうる手段は本当にないのでしょうか。

実は、火力発電でも、原子力発電でも、そして再生可能エネルギーを利用した発電でもない「第4の選択肢」として、新たな発電方法の確立に向けた巨大な国際プロジェクトが進んでいます。

EU、アメリカ、ロシア、中国、韓国、インド、日本からなる「ITER国際核融合エネルギー機構」が、フランス南部サン・ポール・レ・デュランスで建設を進めている、国際熱核融合実験炉「ITER」計画です。

2月のサイエンス思考では、量子科学技術研究開発機構、核融合エネルギー部門長の栗原研一博士にご協力いただき、核融合を利用した発電の原理や、世界の科学の粋を結集して建設されている核融合炉ITERの現状、そして、日本でも進められている実証実験について前後編の2編で紹介します。

「核融合」と「原子力発電」はどう違う?

ITERの工事現場

フランスで建設中のITER。施設面積は180ヘクタールほど。2020年11月6日撮影。

ITER Organization/EJF Riche

ITER計画は、「核融合」という核反応を利用した次世代の発電設備の実証試験のための計画です。

2007年にITER機構が発足すると、その3年後の2010年には建設が開始され、日本企業が主要なハイテク機器の多くの製造を担当しています。

核融合実験炉 ITERの総建設費は約2.5兆円。日本も、建設費の約9%にあたる約2300億円を負担しています。

「核」という言葉が含まれていることから、原子力発電のようなものを想像する人も多いかもしれませんが、核融合炉は、原子力発電とはまったく別の技術を使った発電方法です

少なくとも、原子力発電で問題となる高レベル放射性廃棄物は発生しません。

また、火力発電のように、燃料として化石燃料を使用することもありません。もちろん、地球温暖化の原因の一つとされている、二酸化炭素も排出しません。

経済産業省が発行している2020年エネルギー白書では、

「核融合エネルギーは、エネルギー問題と環境問題の根本的な解決をもたらす将来のエネルギー源として大いに期待されています」

とされており、ITER計画や関連する国内の核融合研究を推進するために、毎年約200億円を超える予算がついています。

核融合炉を使った発電は、まだ実証試験段階ではあるものの、次世代の発電方法として一定の期待とともに研究が進められているといえそうです。

ITER

ITERの完成予想図。中央の巨大な装置が核融合炉本体。中央紫色の領域の手前に描かれた人(オレンジ色)の大きさと比較すると、その巨大さがよく分かる。

ITER Organization

核融合炉の実証研究は、日本でも行われています。

茨城県那珂市にある量子科学技術研究開発機構では、実験装置「JT-60SA」の建設が完了し、2021年4月から本格的な実証試験がスタートしようとしています。

将来、核融合炉を実用化する上で、JT-60SAで行われる実験は、ITERでの実験とあわせて非常に重要なものだとされています。

意外だと思う人も多いかもしれませんが、日本は核融合研究の牽引役となっているのです。

では、核融合をどのように利用して、発電を行うのでしょうか。核融合炉で何が行われているのか、紹介していきます。

人工的に「太陽」を作り出す

太陽

NASAの太陽観測衛星が撮影した太陽。

Solar Dynamics Observatory, NASA.

「太陽でも起こっている反応を、人工的に作り出そうとしているんです」

栗原博士は、核融合の基本原理をこう話します。

私たちが毎日目にしている太陽の主成分は、ほぼ水素です。

太陽の中心部は、2000億気圧以上、摂氏約1600万度という超高温高圧の極限環境。この中で、太陽の主成分である水素は、原子核(水素の原子核は陽子1個)と電子に分離した「プラズマ」の状態で存在しています。

プラズマ状態となった水素の原子核は、4個結合することで「ヘリウム」の原子核と同じ構造(陽子2つ、中性子2つ)になり、同時に非常に大きな熱を出すことが知られています。

このように、原子核同士が結合し、より重い(中性子や陽子が多い)原子核になる反応を「核融合反応」といいます。

太陽は、主に水素同士が核融合反応を起こしたときに生じるエネルギーによって、誕生してから約46億年もの間、ずっと光り輝き続けているわけです。

核融合炉の計画は、そんな太陽で起きている核融合反応を地球上で再現し、そこで発生する熱を発電に活かそうという大胆な発想から考えられた試みなのです。

燃料1グラムから石油8トン分のエネルギーを得る

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