核融合の最前線を支える、日立のものづくりと人財の力

現在の原子力発電、いわゆる軽水炉では、ウランのような重い原子の原子核（※1）が分裂するときに出るエネルギーを発電に利用するのに対し、核融合発電は太陽と同じ原理で、水素同位体（※2）のような軽い原子の原子核が融合するときに出るエネルギーを利用して発電を行います。

原子核はプラスの電荷を持つため、通常は互いに反発し合います。そのため核融合を起こすには、この反発力を超えるために、水素同位体を1億℃以上の高温に加熱し、原子核と電子が分離したプラズマ状態をつくり出します。この状態では原子核が高速で運動し、衝突することで融合反応が生じます。さらに、この高温・高密度なプラズマ状態を磁場などによって閉じ込め、十分な温度・密度・閉じ込め時間（ローソン条件）を維持することで、核融合反応を継続的に起こすことが可能になります。

プラズマの閉じ込めは1950年代から始まった核融合研究における最大の難関ですが、この難しさは「条件が少しでも崩れると反応が速やかに停止する」という高い安全上の特性につながっています。また、発電過程でCO₂を排出せず高レベル放射性廃棄物も生じにくいという点に加え、燃料となる水素同位体のうち重水素は海水中に豊富に含まれることから、資源制約の観点でも優位性があるとされています。

私が核融合技術に興味を持ったのは、子どもの頃に愛読していた科学雑誌で石油の枯渇問題を知ったことがきっかけでした。現在のように化石燃料をめぐる地政学的リスクが顕在化している状況では、なおさら核融合の意義は大きくなっていると言えるでしょう。

核融合研究の中心となってきたプラズマの閉じ込め技術の中で、現在、最も研究が進んでいるのは旧ソ連で開発された「トカマク型（※3）」という方式です。日米欧それぞれで進められてきた原理研究により技術が大きく進歩し、入力エネルギーと同等、あるいはそれを上回る核融合エネルギーを得る見通しが立ったことから、その方式を採用した実験炉ITERの建設が2007年より始まりました。

今、見えてきている次のステージは、核融合エネルギーを取り出し、発電につなげていくことです。ただ、そこに到達するには、プラズマの長時間安定維持や、発生した熱を効率よく電気に変える方法など、まだまだ多くの課題があります。実際に装置全体を完成させた段階、さらに発電を試みた段階、それぞれに達して初めて見えてくる課題も少なくないでしょう。

日本は国際的に見ても早くから核融合研究に取り組み、長年にわたって知見と技術を蓄積してきました。大学や国の研究機関が中心となってプラズマの原理を研究し、実験装置に必要な工学的技術を国の研究機関との連携のもとメーカーが担うという役割分担がうまく機能してきたため、科学的な研究と工学的技術の両面で世界トップレベルにあります。日立も黎明期の1950年代から核融合研究のための実験装置の製作に関わってきました。

日立が核融合に挑んできた背景には、発電機、変圧器などの開発・製作で培ってきた電気機器や電磁石の製造技術があります。プラズマを閉じ込めるために強い磁場を用いる方式の核融合装置では、電磁石の技術は極めて重要です。さらに、超高電圧、超伝導・極低温、超高真空、材料、熱設計、大型構造物製作の技術、原子力分野での放射線取り扱い、制御やシステム技術など、日立はさまざまな技術を結集し、この分野の発展に貢献してきました。研究・開発部門が核融合の実験装置を持ち、技術的アプローチだけでなく科学的アプローチから取り組んできたことも強みです。また、核融合装置向け技術を、MRIなどのヘルスケア分野にも応用してきました。

核融合は多くの技術領域によって成り立つ総合技術です。原理の実証には、実際に装置を設計・製作する力が不可欠であるため、ものづくりの現場を持ち、研究と製造の間をつなげる日立の役割は極めて重要と考えています。

私自身、研究者というよりは実際にものづくりをしたいという思いがあり、メーカーへの就職を希望しました。就職活動の際の職場見学で、製造部門と設計部門が真剣に議論し合いながら装置をつくり上げていく様子を目の当たりにし、その熱い姿に憧れたことが日立に入社したきっかけです。その後、核融合を中心に加速器、超伝導に関わる設計部隊で仕事を続けてきた中で、研究者が考えたものを実際に動く装置として形にするというところに、メーカーとして核融合に携わる意義と醍醐味を感じてきました。

次世代炉推進本部 担当本部長（核融合・加速器）　木戸 修一

これまで日立はさまざまな国家プロジェクトに参画し、国の研究機関や大学との連携のもとでJT-60（※4）や大型ヘリカル装置（LHD）（※5）をはじめとする多数の核融合・加速器の研究開発用実験装置に対し、電磁石、真空容器、中性粒子ビーム入射装置（NBI）（※6）などの重要機器を設計・製作してきました。

ITERでは入力エネルギーに対して10倍以上の核融合出力を得ること、50万kWの核融合出力を一定時間維持することを目標に、2030年代半ばの運転開始と、その後の目標出力達成をめざす計画です。実現すれば、核融合をエネルギー源として活用する上での大きなステップとなることは間違いありません。

ただ、ITERでは国際協力ゆえの意思決定の難しさやコロナ禍の影響もあって計画の見直しや遅れが生じました。そのため各国独自の原型炉の検討や核融合スタートアップによる発電実証炉開発など、核融合の実用化に向けた競争と協調の両面での取り組みが加速しています。こうした状況下では、過度な期待に依存するのではなく、着実な研究開発と、将来を見据えた挑戦の両輪が必要だと考えています。

AIとデータセンターの急速な普及などにより、今後電力需要は大幅に増加すると見込まれています。脱炭素化をめざしつつ電源の拡充を急ぐには、複数の発電方式を組み合わせていくことが重要です。その中でも、エネルギー安全保障と脱炭素の両面で有利な特性を持つ核融合は、将来のエネルギーミックスを支える新たな選択肢として期待されています。

日本では、欧州との「幅広いアプローチ（BA）活動（※7）」のもと、JT-60を改修、発展させた核融合実験装置JT-60SAを建設し、ITERを補完・支援する研究開発や人財育成を進めています。BA活動では、JT-60SAによるプラズマ研究に加え、材料開発や原型炉設計といった複数の分野を並行して進めることで、将来の核融合炉実現に向けた技術基盤の構築を担っています。また、国家戦略の一つに「フュージョンエネルギー（核融合）の産業化」を掲げ、2020年代には発電実証プラントの建設に着手、2030年代には官民連携で発電実証を行うことを目標としています。とはいえ、実証の段階から、核融合炉が商用炉としての経済性を満たし、安定して運転できるようになるまでには、依然として多くの技術的課題を克服する必要があります。

そのため、現在の電力供給を支える取り組みと、未来のエネルギー実現に向けた基盤構築を同時に進めていく必要があります。日立にとってまず重要なのは、既存の原子力発電所の再稼働支援や廃炉といった現場の課題に応えつつ、次世代の小型モジュール炉（SMR）BWRX-300や革新軽水炉HI-ABWRの提供にも着実に対応していくことです。並行して、その次の世代を担う高速炉、さらに将来の核融合炉に向け、ITERやBA活動、発電実証などのプロジェクトへの参画を通じて実績を培い、研究開発を進めていきます。

原子力は、安心と信頼を高めながら進化し続ける社会インフラであるべきです。これまで培ってきた原子力と核融合に関する研究開発力とものづくりの力、今後エネルギー分野で発展の鍵を握るAIをはじめとするデジタル技術を強みに、時間軸の異なる複数の技術において、現実の課題と未来の可能性の両方に責任を持って応えていくことが日立の役割だと考えています。

もう一つ強調したい日立の強みは人財力です。私は、自分自身がメーカーでの仕事に大きなやりがいを感じてきたことから、大学で核融合を学ぶ学生の方々に、研究者以外にも核融合炉実現に向け活躍するキャリアパスがあるとお伝えすることをライフワークとしています。学会などの機会を捉えてはそのことを訴えてきた成果でしょうか、近年は日立への就職を希望する核融合人財が増えてきています。

お客さまである大学や研究機関の方々と同じ土俵で学び、研究してきた人財だからこそ、お客さまと同じ目線で話し、考えを正しく理解して、実際の装置として形にすることができます。核融合を工学的な立場から支えていきたいという熱意を持つ人財を多く擁しているのも日立の大きな特徴です。

ものづくりと、それを支える人財の育成を通じて、日立はこれからも核融合技術の発展に貢献し、エネルギーの最前線を支えていきます。

（※1）原子の中心に位置し、プラスの電荷を持つ陽子、および中性子から構成される。その周りをマイナスの電荷を持つ電子が回っている。
 

（※2）重水素および三重水素。通常の水素は陽子1個を原子核とするのに対し、重水素は陽子1個と中性子1個の原子核を持つ。重水素は自然界の水素全体の0.015％を占め、主に水として存在する放射性を持たない安定同位体である。三重水素は陽子1個と中性子2個の原子核からなる不安定同位体で弱い放射性を持つ。
 

（※3）超高温のプラズマは一般的な容器では保持できないが、電荷を持つため磁場中で運動が制御される性質がある。この性質を利用して、プラズマ中に電流を流してできる磁場と外部の電磁石により作られる磁場の融合による、らせん状の磁場でプラズマを閉じ込める方式。
 

（※4）日本原子力研究所 那珂研究所（現 量子科学技術研究開発機構 那珂フュージョン科学技術研究所）に設置され1985年に稼働した臨界プラズマ試験装置。核融合三重積、中心イオン温度などにおいて世界最高値を達成し、世界の核融合研究開発をリードした。

（※5）LHDはLarge Helical Deviceの略。文部省核融合科学研究所（現 自然科学研究機構核融合科学研究所（NIFS））が岐阜県土岐市に設置、1998年に初プラズマを達成した超伝導電磁石を用いた世界最大級のヘリカル型プラズマ装置。ヘリカル型は、らせん状のコイルにより発生させた磁場のみでプラズマを閉じ込める方式。

（※6）核融合反応を引き起こすため、磁場で閉じ込めた核融合プラズマを加熱するのに用いる装置。NBIはNeutral Beam Injectionの略。超高電圧電源を用いて水素イオン等を加速し、イオンの電荷を剥ぎ取り生成する高エネルギーの中性粒子ビームをプラズマ内部に撃ち込む役割を担う。プラズマに入った粒子はプラズマ中の粒子と衝突して運動エネルギーを与え、プラズマを1億℃以上の高温に加熱する。

（※7）BAはBroader Approachの略。核融合エネルギーの早期実現に向け、ITER計画を支援するとともに、発電実証を行う原型炉に必要な技術基盤の確立をめざし、日本と欧州（欧州原子力共同体）間で実施する国際共同研究開発プロジェクト。