なぜ核融合はD–T反応が先行する？ D–D・D–³He・p–¹¹Bとの違い

「核融合の燃料」といえば、重水素Dと三重水素Tの組み合わせがよく登場する。では、重水素どうしや、ヘリウム3、ホウ素を使う反応は発電に使えないのだろうか。

答えは「使えないと決まったわけではない」。ほかの燃料を目指す研究も進んでいる。それでもD–Tが先行する大きな理由は、反応を十分に起こすための条件が、ほかの有力候補より比較的達成しやすいことだ。ただし、燃料調達や装置の寿命まで含めて簡単という意味ではない。米国エネルギー省の燃料解説

• D–Tは、核融合を起こす側の条件で有利だが、中性子とトリチウムを扱う工学的課題がある。
• D–D、D–³He、p–¹¹Bには異なる利点がある一方、反応性、放射による損失、燃料供給などの課題がある。
• 「反応を検出した」「燃料でエネルギー利得を得た」「発電所が正味の電力を供給した」は別の達成段階だ。

Dは重水素、Tは三重水素、³Heはヘリウム3、pは陽子、¹¹Bはホウ素11を表す。DとTはどちらも水素の同位体で、原子核の陽子は1個だが、中性子の数が違う。高温の燃料では電子と原子核が分かれ、プラズマになる。

正の電荷を持つ原子核どうしは反発する。衝突すれば必ず核融合するわけではなく、反応する確率は粒子の組み合わせと衝突エネルギーによって変わる。この反応の起こりやすさを表す量が「反応断面積」だ。

ただし、プラズマの粒子が全員同じ速さで動いているわけではない。燃料全体で反応がどのくらい起きるかを見るには、断面積と相対速度を粒子の速度分布について平均した「反応率係数」も重要になる。熱平衡に近いプラズマでは温度がその分布を決める。ある衝突エネルギーで断面積が大きいことと、発電に適したプラズマを維持できることは同じではない。UKAEAの反応計算資料

さらに、反応する粒子を十分に集め、エネルギーが逃げる前に反応を重ねる必要がある。温度、密度、エネルギー閉じ込め時間を組み合わせて考えるのは、そのためだ。高温の記録だけでは、エネルギー収支はわからない。ローソン条件を整理した論文

D–Tは、発電研究の主要な候補の中では比較的低い温度で大きな反応性を得やすい。反応するとヘリウム4の原子核、つまりアルファ粒子と、中性子が生まれる。荷電したアルファ粒子のエネルギーを燃料へ戻すことは、プラズマの自己加熱に役立つ。米国エネルギー省の核融合反応解説

一方、中性子は電荷を持たず、磁場では閉じ込められない。将来のD–T発電所では、そのエネルギーを炉の外側の設備で熱として取り出す構想だが、同時に構造材料を傷め、放射化を起こす。熱を受け止めることと、部品を長く使い、安全に交換することは、セットで解かなければならない。

もう一つがトリチウムだ。重水素は海水などから得られるが、トリチウムは自然界にごく少なく、放射性でもある。発電所の中で中性子とリチウムを利用してトリチウムを生み、回収して燃料へ戻す「増殖」と「燃料循環」が必要になる。その自給を発電所全体で安定して成立させることは、研究開発の課題である。米国エネルギー省の燃料供給解説

つまりD–Tは、難しい燃料管理を忘れて選ばれたのではない。まず反応を成立させる側の有利さを生かし、その先の材料・燃料・保守を解こうとする選択だ。

重水素どうしを反応させるD–Dは、燃料資源の観点では魅力的だ。しかし、同じような温度条件ではD–Tほど反応を起こしやすくない。十分な出力を得るための温度や閉じ込め条件が厳しくなる。

しかも、D–Dは「トリチウムも中性子も出ない反応」ではない。主な反応には、ヘリウム3と中性子を生む枝と、トリチウムと陽子を生む枝がある。生まれたトリチウムが重水素と反応すれば、D–T反応による中性子も出る。最初に入れる燃料だけでなく、運転中に何が生まれ、さらに何と反応するかまで見る必要がある。UKAEAのD–D反応と副反応の整理

重水素とヘリウム3の主反応は、ヘリウム4の原子核と陽子を生む。主反応の生成物が荷電粒子なので、中性子による材料への負担を減らす方向を目指せる。

ただしD–Tより厳しい反応条件に加え、ヘリウム3をどのように継続供給するかが問題になる。さらに燃料には重水素が含まれるため、D–D副反応を無視できない。「主反応に中性子がない」と「実際の装置から中性子が出ない」は区別しよう。高度燃料の比較・付録D

陽子とホウ素11の主反応では、3個のアルファ粒子が生まれる。主反応が中性子を生まないこと、燃料の水素とホウ素が放射性同位体ではないことが魅力だ。

難しいのは、反応を十分に起こす条件と、エネルギーの損失を同時に満たすことだ。特に「制動放射」は、電子がイオンの電場で曲げられる際に光としてエネルギーを放出する現象で、X線などによる損失につながる。高温にすれば反応だけが増えるわけではない。燃料の組成、電子とイオンの温度差、粒子の速度分布などによって収支が変わるため、一つの温度だけで実現性を判定するのは適切ではない。p–¹¹Bを扱う実験論文の背景と議論

研究は実在する。NIFSとTAE Technologiesの共同研究は、LHDで水素ビームとホウ素を用い、p–¹¹B反応に由来するアルファ粒子を測定した。論文の公表日は2023年2月21日であり、今回の新発表ではない。これは反応を調べる実験上の前進であって、発電所の正味発電や燃料の自己燃焼を示した結果ではない。NIFSの成果解説

また、主反応に中性子がない場合でも、放射によるエネルギー損失や、実際の燃料・生成物が関わる別の反応を評価する必要がある。「無中性子」を、そのまま「放射線がない」「遮蔽や安全設計が不要」と読むことはできない。

燃料選択は、物理と工学の難しさをどこで引き受けるかという設計上の判断でもある。D–Tには材料やトリチウムの課題があり、高度燃料には反応条件や損失、供給の課題がある。「扱いやすい燃料だから、発電所も簡単」とは限らない。

事業として比較するときは、少なくとも三つを確認したい。使った燃料で何を測定したのか。エネルギー利得は燃料への入力、加熱装置への入力、施設全体の電力のどこを基準にしたのか。そして、燃料供給と機器の寿命・交換まで含む運転を、どこまで確かめたのか。

D–Tが先行している理由を知ることは、ほかの燃料を否定することではない。それぞれが解こうとする課題と、すでに示した実績を分けて読むための出発点になる。

反応を起こす条件、生成物、燃料供給の違いを整理した模式図。比較は概念的なもので、燃料ごとの商用化順序や実現時期を予測するものではない。