なぜプラズマを加熱するのか。RFとジャイロトロンの仕組み・開発史・ITER実装を徹底解説

トカマクのプラズマは、電流を流すだけでは核融合に必要な高温へ届きにくい。そこで粒子ビームや電磁波でエネルギーを補う。ジャイロトロンは、そのうち電子サイクロトロン加熱に使う強力なミリ波の発生源であり、加熱方式全体の名前ではない。

本稿は「なぜ加熱するのか」から、電波の選び方、電子管の内部、長時間運転を可能にした開発史、ITERへの納入状況までをつなぐ技術解説だ。2026年10月25日時点で、日本の当初8機はITERへの納入を完了し、現地では2026年9月に約1 MWの出力が確認されている。一方、追加20機の初号機が9月に届いた先は日本の那珂研であり、ITERへの納入完了ではない。この違いを押さえると、個々のニュースがどの段階の前進なのかが見えてくる。

1. なぜプラズマを加熱するのか
2. 電流だけでは熱くし続けにくい理由
3. NBI・ICRH・ECRH・LHをどう使い分けるか
4. ジャイロトロンの中で何が起きるのか
5. 日本の開発を変えた三つの技術
6. ミリ波をプラズマまで届ける
7. ITERへの納入と現地試験
8. 次に問われる性能と産業上の意味

核融合で反応するのは原子核だ。原子核は正の電荷を持つため互いに反発し、そのまま近づけることは難しい。高温にして粒子の運動を激しくするのは、核融合反応が十分な頻度で起きる条件へ近づけるためである。「熱くすれば必ず発電できる」のではなく、燃料の密度と、熱が外へ逃げるまでの時間も同時に必要になる。IPPの核融合条件

ここでいう温度は、装置の壁の温度ではなく、プラズマを構成する粒子の運動の激しさを表す。電子とイオンは異なる温度を持つ場合があり、どちらに最初にエネルギーを与えるかで加熱の経路も変わる。電子を温める装置だから核融合を起こす原子核には無関係、ということではない。電子とイオンは衝突を通じてエネルギーをやり取りする。ITERの加熱方式

運転中も、粒子の輸送や放射によってエネルギーは失われる。温度を上げるには流出分より多くの加熱が必要で、維持するには熱収支を釣り合わせなければならない。さらに重水素と三重水素の反応では、生成したヘリウム原子核による自己加熱が加わる。この自己加熱が外部からの加熱を上回る状態が「燃焼プラズマ」だ。外部装置はそこへ至る始動を担い、その後も運転状態を調整する役割を持つ。燃焼プラズマの実現と、発電所全体で電力を売れることは別の目標である。DOEの燃焼プラズマ解説

トカマクでは、変圧器のようにコイルの磁束を変え、プラズマ中に電流を誘起する。プラズマには電気抵抗があるため、電流を流すとジュール熱が生じる。これがオーミック加熱だ。ところが、熱くなったプラズマほど電気が流れやすくなる。

通常の高温プラズマの近似では、抵抗は電子温度の上昇につれておおむね温度の3/2乗に反比例して小さくなる。同じ電流を流したときの発熱は「抵抗×電流の2乗」なので、温度が上がるほど加熱の力が弱まる方向へ働く。これは電流を一定とした説明であり、電源電圧を固定した別条件まで同じ結論で扱ってはいけない。UKAEAの抵抗加熱モデル

ならば電流を増やせばよい、とは簡単にいかない。プラズマ電流は閉じ込め磁場の構造や安定性にも関わり、加熱だけの都合では決められない。誘導方式には磁束を変化させ続ける制約もある。したがって、プラズマを維持する電流と、追加で届ける熱を別の手段でも制御できることが重要になる。加熱装置は単なる大型ヒーターではなく、運転の自由度を増やす装置なのだ。IPPの加熱解説

外部加熱を整理すると、まず「高速粒子を入れる」方法と「電磁波を入れる」方法に分かれる。中性粒子ビーム入射加熱、NBIは、電場で加速した粒子を中性化し、磁場を横切ってプラズマへ届ける。内部で再び電離した高速粒子が、周囲へエネルギーを渡す仕組みだ。ここでいう中性粒子は原子であり、中性子ではない。IPPのNBI原理

RFはRadio Frequency、高周波を指す。本稿では電磁波を用いた加熱・電流駆動の総称として使うが、用途によってイオン向けRFと電子向けミリ波を別に呼ぶ場合もある。「RFかジャイロトロンか」という二者択一ではない。RFの一方式で使う電磁波源がジャイロトロンである。

• ICRH（イオンサイクロトロン共鳴加熱）は、イオンの磁場中の回転運動などに波を結び付ける。ITERの設計周波数は40〜55 MHz。アンテナからプラズマへ波を結合させる。どのイオン種に吸収させるか、吸収後にどの粒子へ熱が移るかは、燃料組成や運転条件によって変わる。
• ECRH（電子サイクロトロン共鳴加熱）は、電子の回転運動に結び付く電磁波でまず電子を加熱する。ITERは170 GHzを使う。狙った位置へエネルギーを集中させやすく、加熱とともに局所的な電流駆動や不安定性の制御に利用する。
• LH（低域混成波）は、電子とイオンのサイクロトロン周波数の間の周波数帯を用いる別の方式だ。磁力線に沿う電場と電子の相互作用を利用し、特に電流駆動で重要になる。これをITERの現行の三つの主加熱方式と混ぜて数えない。

ITERのECRH・ICRH・NBI／UKAEAのICRH／UKAEAのLH

MHzとGHzは波の振動の速さ、MWは1秒当たりに送るエネルギーの大きさだ。170 GHzという周波数は、真空中では約1.8 mmの波長に相当する。だからミリ波と呼ばれる。周波数が高い装置ほど、いつでも加熱能力が高いという順位ではない。磁場、密度、吸収位置、運転目的に合った波を選ぶ必要がある。電子サイクロトロン波にも密度による伝播の限界があり、どんなプラズマの中心にも自在に届くわけではない。UKAEAの電子サイクロトロン加熱

ジャイロトロンは、電力を強力なミリ波へ変換する真空電子管だ。炉の中に置く発熱体ではなく、炉から離れた場所で電磁波をつくる。内部をエネルギーの流れに沿って見ると、五つの部分に整理できる。

第一は電子銃である。加熱した陰極から電子を取り出し、高電圧で加速する。第二は超伝導磁石と空胴共振器。電子は強い磁場の中で回転しながら進み、共振器の電磁場との相互作用によって、回転運動のエネルギーを電磁波へ渡す。「電子が高速でぶつかって熱くなる」ことを利用するのではない。JAEAの内部構造と原理

第三はモード変換器と内蔵ミラーだ。共振器で生じた電磁波の分布を、外へ運びやすいビームへ整える。第四は出力窓。真空を保ったまま大電力のミリ波を通す境界で、人工ダイヤモンドが重要な役割を担う。第五はコレクターで、電磁波をつくった後の電子を受け止める。電子の行き先と、ミリ波の出口は同じではない。QST研究者による装置解説

この構造を図で描くときも、下部の電子銃、磁石内の共振器、光学系と側方の出力窓、上部のコレクターという実機の関係を崩さないことが大切だ。電子ビームがそのまま導波管を走ってトカマクへ入るのではなく、導波管が運ぶのは電磁波である。ITERの装置構成

家庭の電子レンジと同じく電磁波を使う、という比喩は入口にはなる。しかし、食品中の分子を加熱する説明だけでは、磁場中の電子との共鳴、狙った場所への入射、電流駆動までは理解できない。また、電子銃に「マグネトロン入射型」という名前が使われても、ジャイロトロン全体が家庭用マグネトロンと同じ装置になるわけではない。

日本のITER向け研究開発は1990年代から積み重ねられてきた。必要だったのは、瞬間的に強い波を出すことだけではない。高い周波数、大きな出力、高い効率、長い運転時間を同時に満たすことだった。三つの突破口を追うと、巨大な電子管が実用機器へ育った理由が分かる。

一つ目は、使い切れなかった電子のエネルギーを回収する技術だ。波に変わらなかったエネルギーを全てコレクターの熱にすれば、電力を浪費し、冷却も難しくなる。そこで電子を減速させて回収する構造を採用した。QST研究者の総説は、1994年の試験を効率改善の節目として位置付けている。開発の回顧

二つ目は、人工ダイヤモンドの出力窓である。窓は電磁波をよく通すだけでなく、わずかに吸収して生じた熱を逃がし、真空の境界として耐えなければならない。1997年の日欧協力による試験は長時間・高出力化への転機になった。JAEAの1999年の研究紹介には、170 GHzで520 kWを6.2秒などの当時の結果が記録されている。今のMW級性能を当時の装置へさかのぼって当てはめてはいけない。JAEAの1999年の記録

三つ目は、発振を長く安定して保つ制御だ。電子を放出する陰極が運転中に冷えると、ビーム電流が減り、出力や発振条件が変わる。JAEAの2006年の研究紹介は、陰極ヒーターをあらかじめ制御し、約0.6 MWを1000秒続けた成果を説明している。「長く出せた」と「最大出力を達成した」を別々に読む必要がある好例だ。1000秒運転の研究

その後、1 MW級の高効率・長パルス発振へと性能が進み、試作機の研究からITER向け実機の製作・受入試験へ移った。開発者の2009年の解説は、1 MW・800秒・効率55%の達成を2006年末と記す。一方、後年のQST広報は2008年を開発成功年として整理している。論文公表は2007～08年であり、達成時点と後年の回顧を混同しない。開発者の2009年の解説JAEAの高効率発振研究紹介

管から波が出れば完成、ではない。高電圧電源、超伝導磁石、冷却水、真空系、保護回路が連動して初めて安定した発振が可能になる。さらに出力窓の先には、ビームを整える光学系、導波管、曲がり部、切替器、真空容器側のランチャーが続く。ランチャーは波の入射方向を決め、必要な領域へ届ける装置だ。ITERの電源統合試験

高出力のミリ波では、小さな損失でも部品の発熱になる。管の継ぎ目や曲がり部で望まない波の分布が生じれば、伝送の効率も変わる。ITERは2026年9月28日、米国担当の伝送路について、主要10種類の部品のうち9種類で製造に入ったと報告した。DCブレークは製造・納入・受入を完了した一方、偏波を調整する曲がり部の試験は2027年の予定としていた。伝送系全体の完成を意味する発表ではない。ITERの伝送路製造報告

プラズマへ入った後も、波がどこへ吸収されたかを測る必要がある。フランスCEAのWESTは、2026年の初号機導入後、実際のプラズマでECRHによる電子温度への影響を確認したと報告している。試験台では800 kW・60秒、実機ではまず800 kW・1秒というように、装置と条件を分けて段階を上げている。出力の数字だけでなく、「どこで、どの負荷へ、何秒」を読むことが重要だ。CEAのWEST運転報告

日本の当初8機と、追加20機は別の調達群だ。2026年10月25日時点の公式記録を、次のように分けて読む。

• 当初8機：2013年9月に調達取決め。2021年4月までに全機の製作を完了し、最終機の工場受入試験は2024年3月に完了。最終便は2025年1月21日にITERの倉庫へ到着した。これは納入の完了であり、全8機の据付・統合運転完了ではない。QST ITER Japan第141号
• 初号機の据付：QSTは2025年8月21日に完了を発表した。対象は初号機であり、日本の全機を同時に据え付け終えた発表ではない。据付発表
• 現地での発振：2026年7月31日、QSTはITER現地で電源や冷却などを統合し、170 GHzの出力を確認したと発表した。その後、10月8日発行のQST「週刊フュージョン」は、9月に約1 MWの出力を確認したと報告した。ただし継続時間や数百秒試験の完了は記されておらず、ITERのプラズマ加熱成功や発電開始とは別である。9月の約1 MW出力を伝えるQST資料現地試験発表
• 追加20機：QSTが2025年5月に受託した追加調達について、国内6社との契約を2026年5月20日に公表。1機当たり1.2 MWへの高出力化を含む。追加4機のオプションは、確定した20機と区別する。追加調達発表
• 追加分の初号機：2026年9月30日に那珂フュージョン科学技術研究所へ納入された。10月14日発行のQST ITER Japan第178号は、調整・合格検査を経て、同年12月下旬にITERへ納入する予定と説明する。到着先をフランスと読み替えない。追加初号機の報告

この年表が示すのは、「研究に成功した技術を、現地の設備とつながる機器にする」長い工程である。製作完了、検査合格、輸送、据付、出力確認、プラズマへの入射は、それぞれ別の証拠を必要とする。発表日と出来事が起きた日にも差がある。

電子サイクロトロン加熱の価値は、熱量だけではない。狙う場所を変え、局所的な電流をつくり、プラズマの不安定性に対処できることも重要になる。自己加熱が大きくなっても、外部から細かく制御する手段が不要になるとは限らない。今後の研究では、どの運転条件で、どれだけ正確に、どの速さで制御できるかが問われる。

周波数の選択肢を広げる研究も進む。QSTと京都フュージョニアリングは2024年7月26日、1基から5種類の周波数を発振し、新たに236 GHzを確認したと発表した。強磁場の将来炉へ対応するための研究だが、この236 GHzの実証は30マイクロ秒の短パルスである。長時間の実用機が完成した発表ではなく、長パルス化や効率の検証は次の課題として残る。高周波数化と高出力・長時間化を同じ「性能向上」でひとまとめにしない。QST・KFの共同発表

産業面では、最高出力を一度達成する能力に加え、繰り返し使える信頼性、故障時に止める保護、保守のしやすさが価値になる。これは将来収益の予測ではなく、装置の機能から見た実務上の論点だ。部品単体の効率、電磁波の伝送効率、プラズマへ実際に吸収された割合、施設全体の消費電力は別々に評価したい。

例えば「変換効率50%」を見ても、それがどの入力と出力を比べた数字なのかを確かめる。電子管への直流入力に対するミリ波出力の割合を、冷却や磁石を含む施設全体の効率や、発電所の効率に読み替えることはできない。1.2 MWという出力も、170 GHzという周波数も、単独では発電の成立を示さない。

次の発表で注目したいのは、追加初号機の検査結果とITERへの実到着、現地試験の出力と継続時間、伝送路・ランチャーを含む統合の進展だ。加熱の必要性からこの順番まで理解できれば、「納入」「初発振」「プラズマ加熱」という似て見えるニュースを、別の技術的成果として読むことができる。

関連して、供給企業と役割分担はジャイロトロン加熱システムの供給網、高速粒子による加熱はNBIの仕組みで詳しく解説している。

電流だけでは高温への加熱が弱まり、外部から粒子や電磁波を届ける必要がある。ジャイロトロンは電子の運動をミリ波へ変え、その波を伝送路とランチャーでプラズマへ届ける。図ではエネルギーの流れと、納入・据付・試験の段階を分けて示す。