「地上に太陽を作れ」は、何を意味するのか

「地上に太陽を作れ」。核融合の研究を紹介するとき、この言葉を見聞きする。目指しているのは、太陽を丸ごと小さくして地上に置くことではない。太陽を輝かせる核融合というエネルギー源を、人が設計し、運転できる設備で利用することだ。比喩の共通点と違いを知ると、壮大な言葉の先にある技術課題が見えてくる。

太陽の中心では、軽い原子核が融合する反応によってエネルギーが生まれる。化学反応である石炭やガスの燃焼とは仕組みが異なり、酸素を供給して燃やしているわけではない。

太陽で主に進むのは、通常の水素の原子核である陽子から、何段階かを経てヘリウムができる「陽子・陽子連鎖反応」だ。反応前後の質量の差に対応するエネルギーが放出され、太陽の内部を通って外へ運ばれる。太陽内部の解説

一方、地上の有力な開発路線では、水素の仲間である重水素（D）と三重水素（T）を組み合わせる。どちらも陽子は一つだが、中性子の数が違う「同位体」である。D–T反応ではヘリウムの原子核と中性子が生まれ、エネルギーを運ぶ。軽い原子核の融合を使う点は共通でも、太陽と同じ反応の道筋をそのまま採用しているわけではない。D–T燃料の解説

なお、掲載した太陽の写真は、紫外線で観測した外側の大気などの姿だ。明るい輪や噴き出す物質が写っていても、中心の核融合反応を直接撮影したものではない。

太陽には膨大な質量があり、自身の重力によって内部に高い温度と密度を保つ条件が生まれる。地上の設備では、そのような恒星規模の自己重力を利用できない。そこで別の方法で、反応に必要な状態をつくる。

ITERなどの磁場閉じ込めでは、磁石を使い、電気を帯びた粒子の集まりであるプラズマを閉じ込める。写真の大きなコイルは、そのための磁場をつくる機器だ。レーザーなどを使う慣性閉じ込めでは、小さな燃料を急激に圧縮し、燃料が広がるまでのごく短い間に反応を起こす。二つの閉じ込め方式

太陽にも磁場はあるが、恒星として全体を支える重力と、地上でプラズマを扱う磁場の役割は同じではない。「人工太陽」という呼び名から、装置の中に恒星が誕生すると考える必要はない。

太陽中心の温度は約1500万度。それに対してITERが目指すプラズマ温度は約1億5000万度で、約10倍だ。なぜ太陽を手本にするのに、太陽より高温を目指すのだろうか。

地上では、太陽の巨大な規模と重力が用意する条件を借りられない。限られた装置の中で、反応の起こりやすい燃料を選び、十分な反応率を得ながらエネルギーの損失に対抗する必要がある。D–Tは実験で利用しやすい有力な組合せだが、それでも高温が必要になる。温度は、燃料や閉じ込め方と一緒に決まる条件であり、太陽との単純な性能競争ではない。ITERの核融合解説

また、この温度はプラズマ中の粒子の運動を表す。建物や磁石、装置全体が同じ温度になるという意味ではない。温度の数字だけから、蓄えられた熱量や発電量を判断することもできない。

発電所としての目標は、反応を起こすことに加え、そのエネルギーを使える形で取り出すことだ。D–Tを使う将来炉では、中性子が運ぶエネルギーを炉の周囲の機器で熱に変え、冷却材で運び、発電系へ渡す構想が中心となる。

その途中には、熱を受ける材料、熱交換器、配管、ポンプなどがある。写真のITER冷却水系も、装置から熱を取り去るための設備だ。ただしITER自体は発電せず、取り出した熱を環境へ放出する。発電用の熱回収技術の研究と、電力を送る商用設備の完成は区別したい。熱から電力への道筋

高温の核融合反応が成功しても、設備全体が使う電力を差し引いて電気を供給できるか、繰り返し運転できるか、保守や燃料供給を含めた費用が成り立つかは、別に実証する必要がある。

安全性も「太陽だから危険」「核融合だから無条件に安全」という二択では捉えられない。反応を保つ条件が崩れれば反応は維持できないが、放射性物質であるトリチウムの管理、中性子による材料の放射化、設備の熱や電力への対策は必要だ。ITERの安全・環境対策

企業や働き手にとって、「地上の太陽」を具体化する問いは、自分の技術がどこを支えるかである。磁場をつくる、熱を運ぶ、燃料を扱う、機器を交換する。共通するエネルギー原理を、地上で保守できる設備へ組み直すところに、多くの仕事がある。

この言葉は完成の宣言でも、商用化時期の保証でもない。星のエネルギーを、人が運用できる技術へ変える挑戦を表した比喩なのである。