未来エネルギー解剖：核融合

核融合エネルギーを支える資源：燃料から材料まで、その持続可能性と課題

はじめに：核融合と資源の重要性

未来のクリーンエネルギーとして期待される核融合エネルギー。その実現は、莫大なエネルギーを生み出す可能性を秘める一方で、燃料や核融合炉を構成する特殊な材料の確保という課題も伴います。持続可能なエネルギー供給システムを構築するためには、単にエネルギーを生み出す技術だけでなく、それに必要な資源の量、供給の安定性、環境負荷といった側面も深く理解する必要があります。

本稿では、核融合エネルギーの実現と社会実装に不可欠な資源に焦点を当て、使用される燃料や主要な構成材料、それぞれの資源量や持続可能性、そしてそれに伴う課題について解説します。

核融合炉の「燃料」：重水素と三重水素（トリチウム）

現在、最も実現に近いと考えられている核融合反応は、重水素（D）と三重水素（T、トリチウム）の反応です。

• 重水素 (Deuterium: D) 重水素は水素の同位体の一つで、普通の水素（軽水素）より中性子を一つ多く持ちます。地球上の水（H₂O）の中に天然に存在しており、海水1リットルあたり約30mg含まれています。海水はほぼ無限に近い量が存在するため、重水素は事実上枯渇の心配がない資源と言えます。分離・抽出技術は確立されており、供給は比較的容易です。

• 三重水素 (Tritium: T) 三重水素も水素の同位体ですが、こちらは陽子1個と中性子2個からなる不安定な（放射性の）原子核を持ちます。天然にはごく少量しか存在しないため、核融合炉ではリチウム（Li）に中性子を当てることで生成（増殖）することが計画されています。

  T + D → ⁴He + n (エネルギー) ⁶Li + n → T + ⁴He ⁷Li + n → T + ⁴He + n

  このトリチウム増殖機能を持つブランケットと呼ばれる部分を炉心周囲に配置することで、必要なトリチウムを炉内で作り出す「燃料自己循環サイクル」の確立を目指しています。リチウムは地殻に比較的豊富に存在する元素ですが、バッテリー需要の増加などにより価格変動や供給リスクも指摘されています。核融合炉に必要な量を安定的に供給できるか、また、リチウムの採掘・精製に伴う環境負荷への配慮も課題となります。

核融合炉の「材料」：過酷な環境に耐える特殊素材

核融合炉内部は、数億℃という超高温プラズマを閉じ込める非常に過酷な環境です。この環境に耐え、長期間安定して稼働するためには、特殊な機能を持つ様々な材料が必要です。主要な材料とその資源に関する課題を見てみましょう。

• 第一壁・ダイバータ材 プラズマに直接接する部分であり、高い熱負荷や粒子線・中性子線の照射に耐える必要があります。タングステン（W）や炭素繊維強化複合材料（CFC）、ベリリウム（Be）などが候補とされています。

  • タングステン：融点が高く、スパッタリング（粒子衝突による表面削れ）にも強いですが、加工が難しく脆い性質があります。資源は特定の地域に偏在しており、供給リスクが考えられます。
  • ベリリウム：熱伝導率が高く軽いですが、毒性があり取り扱いには厳重な注意が必要です。資源量も限られています。

• ブランケット材 トリチウムを増殖し、熱を取り出す機能を持つ部分です。リチウムを含むセラミックスや液体金属（リチウム鉛など）などが検討されています。

  • リチウム：前述の通り、トリチウム生成に不可欠です。資源量は比較的多いものの、需要増と偏在が課題です。

• 超伝導コイル材 強力な磁場を生成し、プラズマを閉じ込めるために使用されます。ニオブ（Nb）とチタン（Ti）の合金、ニオブとスズ（Sn）の化合物などが用いられます。

  • ニオブ、チタン、スズ：これらも特定の地域に資源が偏在している場合があります。安定供給には国際的な連携が重要です。

• 構造材 炉全体の構造を支える材料で、中性子照射による劣化（脆化、膨潤など）に強い特殊鋼やバナジウム合金などが研究されています。

  • バナジウム：資源は比較的偏在しており、採掘・精製にも課題があります。

これらの材料には、高い性能が求められるだけでなく、中性子照射によって放射化し、放射性廃棄物となるという側面もあります。材料の長寿命化や放射化しにくい材料の開発は、廃棄物量削減の観点からも極めて重要です。

資源の持続可能性と課題

核融合エネルギーは、燃料となる重水素がほぼ無尽蔵であることから、エネルギー源としての持続可能性は極めて高いと言えます。しかし、実現に必要なトリチウム増殖用のリチウムや、特殊な炉心材料の資源については、考慮すべき点があります。

• 資源の偏在と地政学リスク：特定のレアメタルや特殊元素は、産出国が限られている場合があります。これは供給の不安定性や価格変動のリスクにつながり、地政学的な課題も生じさせ得ます。
• 採掘・精製に伴う環境負荷：鉱物資源の採掘や精製は、エネルギー消費が大きく、地域環境への影響（例：水質汚染、土壌汚染）も懸念されます。持続可能な採掘・精製技術の開発や環境規制の遵守が求められます。
• 材料の劣化と廃棄物：過酷な環境下での材料劣化は避けられず、定期的な交換が必要です。これにより発生する放射化材料の廃棄物処理も、資源利用の側面から重要です。材料の寿命を延ばす研究や、使用済み材料のリサイクル技術開発が進められています。

他のエネルギー源との資源比較

核融合エネルギーの資源問題を考える上で、他の主要なエネルギー源に必要な資源と比較することは有益です。

• 化石燃料（石炭、石油、天然ガス）：埋蔵量に限りがあり、枯渇性の資源です。採掘や燃焼による環境負荷も大きいという根本的な課題があります。
• 原子力発電（核分裂炉）：燃料はウランです。ウラン資源は地球上に存在しますが、高品位なものは偏在しており、濃縮や使用済み核燃料処理といった課題があります。高速増殖炉によるプルトニウムの再利用も研究されていますが、核不拡散やコストの課題があります。
• 再生可能エネルギー（太陽光、風力など）：燃料は不要ですが、発電設備には特定の材料（例：太陽光パネルのシリコン、銀、あるいは一部のレアメタル、風力タービンのネオジム磁石など）が必要です。これらの材料も採掘・精製に伴う環境負荷や資源の偏在が課題となることがあります。しかし、核融合炉の特殊材料に比べれば、使用される材料の種類や量は一般的な工業製品に近い場合が多いです。

核融合エネルギーは、燃料の持続可能性において化石燃料や核分裂燃料（ウラン）に対して大きな優位性を持つ可能性があります。しかし、その実現には、特殊な金属資源やリチウムの安定供給、持続可能な利用が不可欠であり、これらの点では他のエネルギー源と同様、あるいは種類によっては独自の資源課題を抱えています。

まとめと今後の展望

核融合エネルギーは、主要な燃料である重水素が豊富であるため、エネルギー源としては非常に持続可能な可能性を秘めています。しかし、トリチウム増殖に必要なリチウムや、過酷な炉心環境に耐えるための特殊な構造材や機能材料の資源確保と、それらの採掘・利用に伴う環境・社会的な課題は、実現と社会実装に向けて避けては通れない側面です。

これらの資源に関する課題に対処するためには、以下の取り組みが重要となります。

• 資源探査と供給網の多様化：安定供給に向けた資源探査とサプライチェーンの強靭化。
• 持続可能な採掘・精製技術の開発：環境負荷を低減する技術の開発と導入。
• 材料開発とリサイクル技術：長寿命で放射化しにくい材料の開発、使用済み材料からの有価金属回収・リサイクル技術の確立。
• 国際協力：資源の安定供給、技術開発、環境規制において国際的な連携を強化。

核融合エネルギーは、地球規模のエネルギー問題解決に貢献しうるポテンシャルを持っています。その実現と真に持続可能なエネルギーシステムへの貢献を確実なものとするためには、技術的な挑戦だけでなく、資源問題を含むサプライチェーン全体のリスクを適切に評価し、透明性をもって情報公開を行うことが求められます。読者の皆様におかれましても、核融合エネルギーの可能性と同時に、こうした資源に関わる課題にも目を向け、多角的な視点から議論を深めていただければ幸いです。