数十年にわたり、核融合発電の実現時期に関する答えは、よく使われるジョークのオチのように、常に10年か20年先とされていました。しかし今、核融合発電はまさに商業化の瀬戸際にいるのかもしれません。
いや、本当ですよ。
もしこのフレーズがあまりにも聞き覚えのあるように聞こえるなら、それはまさに10年前に書かれたものと同じだからです。核融合研究は何十年もの間、くすぶってきました。しかし今、それは沸点に達しつつあり、今回は状況が異なることを示唆する証拠は数多くあります。
60年以上の歴史を持つ核融合研究において、この5年間で多くの進歩がありました。研究者たちは、核融合に必要な超高温プラズマをどれだけ長く閉じ込められるかという点で新たな記録を樹立しました。プラズマを閉じ込めるための磁石は、より強力かつ効率的になりました。その結果、核融合実験ごとに生成される電力は着実に増加し、原子炉の発電量が消費量を上回る点、いわゆる損益分岐点に近づいています。
核融合研究はまるでレースのようだ。競争する各グループは、コースのどこにいるのか分からなかった。そして突然、全員がゴールラインを見つけた。原子炉は消費するエネルギーと同じだけのエネルギーを生み出すのだ。
これらの結果に勢いづいて、投資家たちは核融合が近いうちに過去の亡霊を消し去るだろうと多額の資金を賭けている。TechCrunchによるPitchBookデータの分析によると、核融合関連の新興企業は昨年だけで27億ドルを調達した。
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一見すると、複数の異なるアプローチを横断するこのような突発的な進歩は、信じ難いように思えるかもしれない。少なくとも、これは、孤独な天才が重要な発見を成し遂げ、問題を決定的に解決するという、世間一般の通説に反する。しかし、これは核融合発電の時代が到来したことを示唆している。
「核融合は転換点を迎えているのでしょうか？」と、ブレークスルー・エナジー・ベンチャーズの投資委員会の技術責任者、エリック・トゥーン氏は述べた。「私たちは間違いなくそう信じています。」
ブレークスルーは、核融合発電の実現に多額の投資を行っている数少ない投資家の一つです。ビル・ゲイツ氏が設立したブレークスルーは、昨年、コモンウェルス・フュージョン・システムズのシリーズBラウンドに18億ドルを投じました。これは同社にとって3度目の投資です（ゲイツ氏自身もこのラウンドに参加しています）。シェブロンとグーグルは7月に、1998年創業のTAEテクノロジーズに対し、シリーズGラウンドで2億5000万ドルを調達しました。ヘリオン・エナジーは昨年、サム・アルトマン氏がリードし、5億ドルを調達しました。ザップ・エナジーは今年初めに1億6000万ドルの資金調達を完了しました。
まだ実証されていない技術に、これほど巨額の資金が投入されているとは驚きだ。核融合発電は当然のことながら、実現が約束されているわけではない。人類が太陽のエネルギーを制御できる運命にあるわけではない。しかし、近年の3つの技術進歩によって生まれた勢いは、その実現がかつてないほど近づいていることを示唆している。そして、この熱狂は、全く異なる研究分野、つまり進化生物学から生まれた概念によって説明できる。
核融合発電の探求は、控えめに言っても、苦行の連続でした。核融合に関する最初の理論は100年以上前に提唱され、核融合炉の本格的な応用研究は1950年代半ばにソビエト連邦で始まりました。しかし、核融合のいとこである核分裂が、実験室での好奇心から終末兵器、そして実用レベルの電源へと急速に発展したのに対し、その進歩は遅々としたものでした。
研究によると、核融合の課題の一部は、磁場によって過熱プラズマを閉じ込めるドーナツ型の容器であるトカマクを大型化することで克服できる可能性が示唆されています。トカマクの大型化により、より弱い磁場でより高い出力を得ることが容易になります。この理解は、より大規模で高価な実験のトレンドの始まりとなりました。
1982年に着工した欧州共同トーラスは、最初の大規模核融合実験の一つであり、その傾向は、国際熱核融合実験炉（ITER）で最高潮に達したと言っても過言ではない。
ITERは、1980年代の冷戦における緊張緩和に向けた努力の成果です。レーガン大統領とゴルバチョフ書記長は、二大超大国の協力手段としてこの構想に着手しました。その後、ITERは6カ国とEUを巻き込み、それぞれがプロジェクトに貢献する形で拡大しました。
ITERの初期設計が固まるまで15年以上かかり、加盟国が建設場所を決定するまでさらに4年かかりました。コンソーシアムは2007年に南フランスで着工し、私が2019年に現地を訪れた際には、巨大な建設現場は当初の計画通りの姿になりつつありました。
しかし、エンジニアたちがニオブベースのワイヤーを何マイルも巻き付けて巨大な磁石を作る様子や、巨大な未完成のトカマクの奥深くを覗き込んだ時、ITERの実現にはまだまだ長い道のりが待ち受けていることは明らかでした。今日、ITERは「最初のプラズマ」（核融合炉が初めて始動することを意味する業界用語）に到達するまで、まだ10年ほどかかるのです。
多くの観察者がITERを注視し、このプロジェクトは愚策だと結論づけています。マイルストーンを達成する可能性はありますが、その費用はどれほどかかるのでしょうか。そして、何年かかるのでしょうか？すでに少なくとも220億ドルの費用がかかり、開発は何度も停滞しているため、このゼロエミッション電源が手遅れになる前に気候変動に歯止めをかけられるのか疑問視する声も上がっています。
しかし、核融合研究はITERの稼働を待つまでもありませんでした。ITER構想から30年、科学者たちは着実に進歩を遂げ、1億度のプラズマを制御するために必要な複雑なシステムの構築方法を学び、様々なタイプの原子炉に関するデータを収集してきました。
核融合への別のアプローチも有望性を示している。レーザーを使って小さな燃料ペレットを照射する慣性閉じ込め方式は、おそらく損益分岐点に最も近づいているが、これもまだ道のりは長い。
「核融合は難しくありません。難しいのは、エネルギーがプラスになる核融合です」と、ブレークスルーのパートナーであるフィル・ラロシェル氏は述べた。
新たな自信
核融合業界の誰もが、損益分岐点に達するにはまだ少なくとも数年かかることを認めている。しかし、特に民間企業における進歩のスピードは、投資家や研究者に、それが手の届く範囲にあるという自信を与えている。
例えば、コモンウェルス・フュージョン・システムズ（CFS）を例に挙げましょう。この新興企業は2018年、自社のスパーク原子炉が2025年に損益分岐点を超えると発表しました。以前は、企業がこのような宣言をしても、あまり真剣に受け止められませんでした。しかし今では、コモンウェルスのような企業が以前の約束を果たしたことが一因となり、人々の態度は変化しています。これは、ITERの目標達成が遅れ続けてきた状況とは大きく異なるものです。
「コモンウェルス・フュージョン・システムズはこれまで、設定したマイルストーンをすべて達成しており、大きな自信につながっています」と、バージニア州ウィリアムズバーグにあるウィリアム・アンド・メアリー大学の物理学准教授、サスキア・モルディック氏は述べた。「建設に関しては、特に断りがない限り、予定通りに完了すると確信しています。」
CFSのような核融合スタートアップ企業の大半はトカマク型設計を採用していますが、慣性閉じ込め方式やステラレータ方式を採用する他の企業も飛躍的な進歩を遂げています。「新たな道を切り開く技術の進歩があります」とモルディック氏は述べました。
進化の飛躍
これらの技術進歩は、核融合研究に一連の変化の波をもたらし、様々なアプローチの進歩速度を飛躍的に向上させました。これまで遅々として進まなかった研究が、突如として加速しました。これは、進化生物学における「断続平衡」理論を彷彿とさせる変化です。
断続平衡とは、ある種が比較的安定した状態を保っていた後、急激な変化の爆発的な発生（種分化と呼ばれる）を経て、多数の新種が出現する現象を指します。こうした変化は複数の要因によって引き起こされますが、その一つが種の環境が急激に変化することです。恐竜の絶滅をもたらしたチクシュルーブ小惑星は、その典型的な例です。小型哺乳類が突如としてその場を自由に動き回り、急速に進化し始めました。
ダニエル・レビンサル氏は、この理論はビジネスの世界にも当てはまると考えている。ペンシルベニア大学ウォートン校の経営学教授であるレビンサル氏は、進化論をビジネス界に移植した初期の研究に携わっており、核融合分野の急速な進歩が断続平衡状態に似ているかどうかという質問に対して、同意見を述べた。
「若きアインシュタインが核融合物理学における新しいアイデアを持って目覚めた、というわけではありません。むしろ、非常に聡明で有能な核融合研究者たちが、より優れた支援要素のツールキットを手に入れた、という感じでした」と彼は語った。「私たち一般人は、前者、つまり画期的な要素注入があった、という見方をするでしょう。確かに彼らはより賢くなったでしょうが、真に重要な制約は、補完的な技術に関してより緩やかになったのです。」
核融合の場合、2010 年代初頭に 3 つの技術的進歩が融合し、イノベーションの波を引き起こしました。
一つは、トランジスタの微細化が進み、半導体の高速化とエネルギー効率の向上が進んだことです。核融合炉はプラズマを閉じ込められる限りしか動作しませんが、プラズマは瞬く間に安定性を失う可能性があります。こうした変化に対処するため、核融合炉はプラズマの挙動を変化させるよう設定を調整する必要があります。「1ミリ秒の何分の1かが重要になります」と、TAEテクノロジーズのCEO、ミヒル・ビンダーバウアー氏は述べています。以前の半導体は速度が遅すぎましたが、ここ数年で状況は変わりました。
「この分野では、科学の成熟度と技術的能力が融合する素晴らしい変曲点が見られると思います」と彼は語った。
すべての核融合スタートアップ企業はこのエネルギーを活用していますが、ドイツのヴェンデルシュタイン7-X実験炉は、先進的な半導体が核融合研究をいかに推進してきたかを示す最も顕著な例の一つです。2015年に初めて稼働を開始したこの炉は、基本的にドーナツ型にねじれと波動を加えたステラレータ設計を採用しています。
しかし、ねじれや波動はそれぞれ、原子炉の性能を様々な形で微調整し、設計プロセスを複雑化させます。「選択肢が多すぎるので、どれを選ぶべきでしょうか？」とモルディック氏は言います。W7-Xチームは、装置を製作する前に様々な組み合わせをモデル化しました。これは、核融合炉が製作前にコンピューターでテストされた初めての事例です。
機械学習は、先進的な半導体が核融合研究に恩恵をもたらしているもう一つの分野です。過去数十年にわたり、計算能力の向上は機械学習への関心と進歩を再び高めてきました。
機械学習が核融合の世界に導入されると、いくつかの重要な分野で進歩が加速しました。TAE社が新しい機械を開発した後、ビンダーバウアー氏によると、同社は数百もの設定を試し、その性能を最大限に引き出す方法を探りました。そのプロセスは時間がかかり、時間がかかりました。
その後、同社は機械学習の実験を始めました。「以前は最適な設定を見つけるのに2ヶ月、つまり約1,000回の実験を要していましたが、今では3～4週間で完了できるようになりました」とバインダーバウアー氏はTechCrunchに語りました。その進歩に衝撃を受けたバインダーバウアー氏はGoogleに協業を提案し、2014年に本格的な進展を見せました。今では「最適化の問題を数十回の実験にまで削減し、午後のほんの数分間で完了できるようになりました」と彼は言います。
3つ目の技術的飛躍は、高温超伝導体（HTS）を大量生産できるようになったことです。トカマクなどの磁場を利用する設計において、超伝導体を用いることで、科学者はプラズマを閉じ込めるために用いる磁場の強度を高めることができます。高温超伝導体を用いることで、より少ないエネルギーでこれを実現し、損益分岐点の達成を容易にしています。
最初の高温超伝導材料のいくつかは1980年代に発見されましたが、脆く扱いが困難でした。2001年に策定されたITERの設計は、液体ヘリウムを用いてマイナス269℃まで冷却する必要がある低温超伝導体から進められました。企業が核融合炉で使用できる長さの高温超伝導磁石を安定的に製造できるようになったのは、2010年代に入ってからでした。（同様の技術は、半導体や特定の種類の太陽電池パネルの製造にも広く用いられています。）
HTS磁石は、低温磁石よりもはるかに強力です。「磁石が強力であればあるほど、装置は小型化できます。磁石の強さがプラズマをどれだけ正確に制御できるかを直接左右するからです」とモルディック氏は言います。小型の装置は安価で、製造も容易です。
その結果、投資家は最終製品を思い描きやすくなります。「商業用原子炉の実現を少なくとも現実的に可能にしている科学技術を基盤として、部品レベルの進歩は何があるでしょうか？それは高温超伝導磁石だと思います」とラロシェル氏は述べました。
計算速度、機械学習、そして高温超伝導磁石という3つの進歩が相まっていなければ、核融合はおそらく今日のような発展を遂げることはなかったでしょう。数十年にわたる停滞の後、ここ5～10年は、漸進的平衡理論に特徴づけられる急速な種分化の時代でした。長年存在してきた核融合スタートアップ企業は再び活気づき、これまで未開拓だったニッチな分野を開拓する新たな企業も次々と誕生しています。
10年から15年はまだ先の話だが、一部の投資家にとっては参入するのにちょうど良い時期だ。
「現在、核融合が注目されている理由は、1940年代に誰かがトランジスタを発明した当時、コンピューターが注目されていた理由と同じです」とラロシェル氏は語った。
