核融合発電

核融合発電は、核融合反応の熱を利用して電気を生成するという提案された発電形式です。核融合プロセスでは、2つの軽い原子核が結合して重い原子核を形成し、エネルギーを放出します。このエネルギーを利用するように設計された装置は、核融合炉として知られています。核融合炉の研究は1940年代に始まりましたが、2024年現在、正味の反応は達成されているものの、正味の電力に到達した装置はありません。^{[1] [2] [3] [4]}

核融合プロセスには、燃料と、核融合が起こり得るプラズマを生成するのに十分な温度、圧力、閉じ込め時間を備えた閉じ込められた環境が必要である。発電システムを生み出すこれらの数値の組み合わせは、ローソンの条件として知られている。恒星では最も一般的な燃料は水素であり、重力によって極めて長い閉じ込め時間が得られ、核融合エネルギー生成に必要な条件に達する。提案されている核融合炉では一般に、重水素や三重水素（特にこの2つの混合物）などの重い水素同位体が使用される。これらは、最も一般的な水素同位体であるプロチウムよりも反応しやすく、ヘリウム原子核と励起中性子を生成するため、^[5]それほど極端でない条件でローソンの条件要件を満たすことができる。ほとんどの設計では、燃料を約1億ケルビンに加熱することを目指しているが、これは成功する設計を生み出す上で大きな課題となる。三重水素は地球上では非常に希少であり、半減期はわずか約12.3年である。その結果、増殖炉として知られる想定される核融合炉の運転中、ヘリウム冷却ペブルベッド（HCPB）は中性子束にさらされ、トリチウムを生成して燃料サイクルを完了します。^[6]

エネルギー源としての核融合は、核分裂に比べて多くの潜在的な利点がある。これには、動作中の放射能の低減、高レベル核廃棄物の少なさ、燃料の十分な供給（トリチウム増殖または何らかの形の非中性子燃料を想定）、安全性の向上などが含まれる。しかし、温度、圧力、および期間の必要な組み合わせを実用的かつ経済的な方法で実現することは困難であることが判明している。一般的な反応に影響を与える2番目の問題は、反応中に放出される中性子の管理であり、これは時間の経過とともに反応室内で使用される多くの一般的な材料を 劣化させる。

核融合研究者は、さまざまな閉じ込め概念を研究してきました。初期の重点は、Zピンチ、ステラレータ、磁気ミラーの3つの主要なシステムに置かれていました。現在主流となっている設計は、トカマクとレーザーによる慣性閉じ込め（ICF）です。どちらの設計も非常に大規模な研究が行われており、最も有名なのはフランスのITERトカマクと米国の国立点火施設（NIF）レーザーです。研究者は、より安価なアプローチを提供する可能性のある他の設計も研究しています。これらの代替案の中で、磁化ターゲット核融合と慣性静電閉じ込め、およびステラレータの新しいバリエーションへの関心が高まっています。

核融合反応は、2つ以上の原子核が十分長い時間接近し、それらを引き寄せる核力がそれらを引き離す静電気力を上回り、それらを融合してより重い原子核にするときに起こります。鉄56より重い原子核の場合、反応は吸熱的であり、エネルギーの入力が必要です。^[7]鉄よりも重い原子核はより多くの陽子を持つため、反発力が大きくなります。鉄56より軽い原子核の場合、反応は発熱的であり、融合するときにエネルギーを放出します。水素は原子核に陽子を1つしか持たないため、核融合を達成するための努力が最も少なく、正味のエネルギー出力が最大になります。また、水素は電子を1つ持つため、完全にイオン化するのが最も簡単な燃料です。

原子核間の反発的な静電相互作用は、強い力よりも長い距離にわたって作用します。強い力の範囲は、およそ 1フェムトメートル(陽子または中性子の直径) です。核融合を開始するには、強い力が静電反発力を克服できるように、燃料原子に十分な運動エネルギーを与えて、互いに十分接近させる必要があります。「クーロン障壁」とは、燃料原子を十分に近づけるために必要な運動エネルギーの量です。このエネルギーを生成するには、原子を極めて高温に加熱するか、粒子加速器で加速することができます。

原子は、イオン化エネルギーを超えて加熱されると、電子を失います。イオンは、結果として生じるむき出しの原子核の名前です。このイオン化の結果がプラズマです。プラズマは、イオンと、以前はイオンに結合していた自由電子の加熱された雲です。プラズマは、電荷が分離されているため、導電性があり、磁気的に制御されます。これは、いくつかの核融合装置で、高温の粒子を閉じ込めるために使用されています。

反応断面積（σ）は、核融合反応が起こる確率を測る指標です。これは2つの原子核の相対速度に依存します。相対速度が速いほど確率は高くなりますが、非常に高いエネルギーでは確率は再び低下し始めます。^[8]

プラズマでは、粒子の速度は確率分布を使って特徴付けることができます。プラズマが熱化されている場合、分布はガウス曲線、またはマクスウェル・ボルツマン分布のように見えます。この場合、速度分布上の平均粒子断面積を使用すると便利です。これは体積融合率に入力されます。^[9]

${\displaystyle P_{\text{fusion}}=n_{A}n_{B}\langle \sigma v_{A,B}\rangle E_{\text{fusion}}}$

どこ：

• ${\displaystyle P_{\text{融合}}}$核融合によって時間と体積あたりに生成されるエネルギー
• nは体積内の粒子の種Aまたは種Bの数密度である。
• ${\displaystyle \langle \sigma v_{A,B}\rangle }$は、その反応の断面積であり、2つの種の速度全体の平均であるv
• ${\displaystyle E_{\text{融合}}}$その核融合反応によって放出されるエネルギーです。

ローソン基準は、核融合反応で生成されるエネルギーと環境に失われるエネルギーとの間のエネルギーバランスを考慮します。使用可能なエネルギーを生成するには、システムは失うエネルギーよりも多くのエネルギーを生成する必要があります。ローソンは以下に示すエネルギーバランスを想定しました。^[9]

${\displaystyle P_{\text{out}}=\eta _{\text{capture}}\left(P_{\text{fusion}}-P_{\text{conduction}}-P_{\text{radiation}}\right)}$

どこ：

• ${\displaystyle P_{\text{out}}}$核融合からの正味電力は
• ${\displaystyle \eta _{\text{キャプチャ}}}$融合の出力を捕捉する効率である
• ${\displaystyle P_{\text{融合}}}$核融合反応によって生成されるエネルギーの速度である
• ${\displaystyle P_{\text{伝導}}}$エネルギー物質がプラズマから放出される際の伝導損失である
• ${\displaystyle P_{\text{放射線}}}$エネルギーが光として放出される際の放射損失です。

核融合の速度、つまりP _{fusion は}、プラズマの温度と密度に依存します。プラズマは伝導と放射によってエネルギーを失います。^[9]伝導は、イオン、電子、または中性粒子が他の物質（通常は装置の表面）に衝突し、その運動エネルギーの一部を他の原子に伝達するときに発生します。伝導速度も温度と密度に基づいています。放射は、雲から光として放出されるエネルギーです。放射は、温度とイオンの質量とともに増加します。核融合発電システムは、核融合速度が損失よりも高い領域で動作する必要があります。

ローソン基準は、熱化および準中性プラズマを保持する機械は、エネルギー損失を克服するのに十分なエネルギーを生成する必要があると主張しています。特定の体積で放出されるエネルギーの量は温度の関数であり、したがって粒子ごとの反応速度、その体積内の粒子の密度、そして最後に閉じ込め時間、つまりエネルギーが体積内に留まる時間の長さです。^{[9] [11]}これは「三重積」として知られています。プラズマ密度、温度、閉じ込め時間です。^[12]

磁気閉じ込めでは、密度は低く、「良好な真空」のオーダーである。例えば、ITER装置では、燃料密度は約1.0 × 10 ¹⁹ m ⁻³で、これは大気の密度の約100万分の1である。^[13]これは、温度および/または閉じ込め時間を増加させる必要があることを意味する。核融合関連の温度は、1970年代初頭に開発されたさまざまな加熱方法を使用して達成されてきた。2019年現在、現代の機械では、^{[アップデート]}閉じ込め時間が大きな問題として残されている。強力な磁場内のプラズマは、多くの固有の不安定性の影響を受けやすく、有用な持続時間に達するためには、これらを抑制する必要がある。これを行う1つの方法は、単に反応炉の容積を大きくすることであり、これにより、古典的な拡散による漏れの速度が低減される。これが、ITERが非常に大きい理由である。

対照的に、慣性閉じ込めシステムは、高密度化によって有用な三重積値に近づき、閉じ込め間隔が短くなります。NIFでは、初期の凍結水素燃料負荷の密度は水よりも低く、鉛の密度の約 100 倍に増加します。これらの条件では、融合速度が非常に速いため、反応によって発生した熱が燃料を吹き飛ばすのにかかるマイクロ秒以内に燃料が融合します。 NIF も大きいですが、これは「ドライバー」設計の機能であり、融合プロセスに固有のものではありません。

核融合によって生成されるエネルギーを捕捉する方法は複数提​​案されています。最も単純なのは、流体を加熱することです。一般的にターゲットにされる DT 反応では、エネルギーの多くを高速中性子として放出します。電気的に中性な中性子は、閉じ込め方式の影響を受けません。ほとんどの設計では、中性子は原子炉のコアを囲む厚いリチウムの「ブランケット」に捕捉されます。高エネルギー中性子が当たると、ブランケットが加熱されます。その後、作動流体で積極的に冷却され、タービンを駆動して電力を生成します。

もう一つの設計では、中性子を使って核廃棄物のブランケットの中で核分裂燃料を増殖させるという、核分裂核融合ハイブリッドと呼ばれる概念が提案されている。これらのシステムでは、核分裂イベントによって出力が強化され、従来の核分裂炉と同様のシステムを使用して電力が抽出される。^[14]

他の燃料、特に陽子-ホウ素中性子核融合反応を使用する設計では、より多くのエネルギーが荷電粒子の形で放出されます。これらの場合、これらの電荷の移動に基づく電力抽出システムが考えられます。直接エネルギー変換は、核融合反応生成物を直接使用して電圧を維持する方法として、1980年代にローレンスリバモア国立研究所（LLNL）で開発されました。これにより、48パーセントのエネルギー捕捉効率が実証されました。^[15]

プラズマは電気を伝導するイオン化されたガスです。^[16]プラズマは、流体を支配するナビエ・ストークス方程式と磁場と電場の挙動を支配するマクスウェル方程式を組み合わせた磁気流体力学を使用してモデル化されます。^[17]核融合は、次のようないくつかのプラズマ特性を利用します 。

• 自己組織化プラズマは電場と磁場を伝導し、その運動によってプラズマを閉じ込める場を生成します。^[18]
• 反磁性プラズマは独自の内部磁場を生成することができる。これにより外部から印加された磁場を拒絶し、反磁性となる。^[19]
• 磁気ミラーはプラズマが低密度場から高密度場へ移動するときにそれを反射することができる。^{[20] :24}

• トカマク：最も開発が進み、資金も豊富なアプローチ。この方法では、内部電流によって磁気的に閉じ込められたトーラス内で高温のプラズマを動かす。完成すれば、ITERは世界最大のトカマクとなる。2018年9月現在、世界中で約226基の実験用トカマクが計画中、廃止中、または稼働中（50基）と推定されている。^[21]
• 球状トカマク: 球状トーラスとも呼ばれます。球形をしたトカマクのバリエーションです。
• ステラレータ：高温プラズマのねじれたリング。ステラレータは外部磁石を使用して自然なねじれたプラズマ経路を作成しようとします。ステラレータは1950年にライマン・スピッツァーによって開発され、トルサトロン、ヘリオトロン、ヘリアック、ヘリアスの4つの設計に進化しました。1つの例はドイツの装置であるヴェンデルシュタイン7-Xです。これは世界最大のステラレータです。^[22]
• 内部リング: ステラレータは外部磁石を使用してねじれたプラズマを生成するが、トカマクはプラズマに誘導された電流を使用してこれを生成する。いくつかの種類の設計では、プラズマ内の導体を使用してこのねじれを実現する。初期の計算では、プラズマと導体の支持部との衝突により、核融合反応で補充されるよりも速くエネルギーが除去されることが示された。浮上双極子実験 (LDX)を含む現代のバリエーションでは、原子炉チャンバー内で磁気的に浮上した固体超伝導トーラスが使用される。^[23]
• 磁気ミラー：1960年代にリチャード・F・ポストとローレンス・リバモア国立研究所（LLNL ）のチームによって開発されました。 ^[24]磁気ミラーはプラズマを一直線に反射します。そのバリエーションには、タンデムミラー、磁気ボトル、バイコニックカスプなどがあります。^[25] 1970年代と1980年代には、主にLLNLで米国政府によって一連のミラーマシンが構築されました。^[26]しかし、1970年代の計算では、これらが商業的に役立つ可能性は低いと推定されていました。
• バンピー トーラス: 多数の磁気ミラーがトロイダル リングに端から端まで配置されています。1 つのミラーから漏れた燃料イオンは隣接するミラーに閉じ込められ、損失なくプラズマ圧力を任意の高さまで上げることができます。実験施設である ELMO バンピー トーラス (EBT) は、1970 年代にオークリッジ国立研究所(ORNL) で構築され、テストされました。
• 磁場反転構成：この装置はプラズマを自己組織化された準安定構造に閉じ込めます。粒子の運動によって内部磁場が生成され、それがプラズマを閉じ込めます。^[27]
• スフェロマック：磁場反転構成に似ており、プラズマの自己生成磁場を利用して作られる半安定プラズマ構造。スフェロマックはトロイダル磁場とポロイダル磁場の両方を持ちますが、磁場反転構成にはトロイダル磁場はありません。^[28]
• ダイノマックは連続磁束注入によって形成され維持されるスフェロマックである。^{[29] [30] [31]}
• 逆転磁場ピンチ: ここではプラズマがリング内を移動します。内部に磁場があります。このリングの中心から外へ移動すると、磁場の方向が反転します。

• 間接駆動：レーザーがホールラウムと呼ばれる構造を加熱し、非常に高温になるためX線を放射し始める。このX線が燃料ペレットを加熱し、燃料ペレットが内側に収縮して燃料を圧縮する。この方法を使用する最大のシステムは国立点火施設であり、レーザーメガジュールがそれに続く。^[32]
• 直接駆動: レーザーが燃料ペレットを直接加熱します。注目すべき直接駆動実験は、レーザーエネルギー研究所(LLE) とGEKKO XII施設で実施されています。良好な爆縮には、高密度プラズマを生成する対称的な内向きの衝撃波を生成するために、ほぼ完璧な形状の燃料ペレットが必要です。 ^{[引用が必要]}
• 高速点火：この方法では2つのレーザービームを使用します。最初のビームで核融合燃料を圧縮し、2番目のビームで点火します。2019年現在、^{[アップデート]}この技術はエネルギー生産には不向きです。^[33]
• 磁気慣性核融合または磁化リニア慣性核融合：これはレーザーパルスと磁気ピンチを組み合わせたものです。ピンチコミュニティではこれを磁化リニア慣性核融合と呼び、ICFコミュニティではこれを磁気慣性核融合と呼んでいます。^[34]
• イオンビーム：イオンビームはレーザービームの代わりに燃料を加熱します。^[35]主な違いは、ビームには質量による運動量があるのに対し、レーザーにはそれがないことです。2019年現在、イオンビームを空間的にも時間的にも十分に集中させることはできそうにありません。
• Z マシン: 細いタングステン線に電流を流し、十分に加熱して X 線を発生させます。間接駆動方式と同様に、この X 線が燃料カプセルを圧縮します。

• Zピンチ:電流がプラズマ中をZ方向に流れる。電流は磁場を発生させ、プラズマを圧縮する。ピンチは人間が制御した核融合の最初の方法だった。 ^{[36] [37]} Zピンチには、圧縮と加熱を実際の核融合には低すぎる値に制限する固有の不安定性がある。最大の装置である英国のZETAは、この種の最後の主要な実験であった。Zピンチの問題がトカマク設計につながった。高密度プラズマフォーカスはおそらくより優れたバリエーションである。
• シータピンチ:電流はプラズマ柱の外側をシータ方向に回ります。これにより、プラズマの周囲ではなく中心に沿って磁場が流れます。初期のシータピンチ装置 Scylla は核融合を決定的に実証した最初の装置でしたが、その後の研究で、核融合には固有の限界があり、発電には適さないことが示されました。
• せん断流安定化Zピンチ：ワシントン大学のユリ・シュムラック教授の研究では、せん断流安定化を利用してZピンチ反応炉の不安定性を緩和する方法が研究された。この方法では、ピンチの軸に沿って中性ガスを加速する。実験機には、FuZEとZap Flow Zピンチ実験炉が含まれていた。^[38] 2017年、英国の技術投資家で起業家のベンジ・コンウェイ氏は、物理学者のブライアン・ネルソン氏とユリ・シュムラック氏とともに、この技術を電力生産に商業化するためにZap Energyを共同設立した。^{[39] [40] [41]}
• スクリューピンチ：この方法は、安定性を向上させるためにシータピンチとZピンチを組み合わせたものです。^[42]

• フューザー：電場がイオンを核融合状態まで加熱する。この機械は、通常、真空中に陽極と陰極の2つの球形ケージを使用する。これらの機械は、伝導と放射による損失が大きいため、正味電力を得るための現実的な方法とは考えられていない。 ^[43]製作が簡単なため、アマチュアが原子核融合に使用したことがある。 ^[44]
• ポリウェル：ケージによって発生する伝導損失を回避するために、磁気閉じ込めと静電場を組み合わせる試み^{。 [45]}

• 磁化ターゲット核融合：磁場を使って高温のプラズマを閉じ込め、慣性を使って圧縮する。例としては、 LANL FRX-Lマシン、 ^[46] General Fusion（液体金属ライナーによるピストン圧縮）、HyperJet Fusion（プラズマライナーによるプラズマジェット圧縮）などがある。 ^{[47] [48]}
• 制御されていない: 核融合は、制御されていない核分裂爆発を使用して核融合を刺激することで人間によって開始されました。核融合発電の初期の提案には、反応を開始するために爆弾を使用することが含まれていました。PACERプロジェクトを参照してください。
• 衝突ビーム核融合：高エネルギー粒子ビームを別のビームまたはターゲットに発射すると、核融合を開始できます。これは、1970年代と1980年代に核融合反応の断面積を研究するために使用されました。 ^[8]しかし、ビームをコヒーレントに保つには、核融合から得られるエネルギーよりも多くのエネルギーが必要になるため、ビームシステムは電力には使用できません。
• ミューオン触媒核融合：このアプローチでは、水素同位体の二原子分子の電子を、同じ電荷を持つより質量のであるミューオンに置き換えます。ミューオンの質量が大きいため原子核が十分に圧縮され、強い相互作用によって核融合が起こります。 ^[49] 2007年時点では、ミューオンを生成するには、ミューオン触媒核融合で得られるエネルギーよりも多くのエネルギーが必要でした。 ^[50]
• 格子閉じ込め核融合：格子閉じ込め核融合（ LCF）は、重陽子飽和金属をガンマ線やイオンビームにさらす核融合の一種で、他の核融合方法で使用される閉じ込められた高温プラズマを回避する。 ^{[51] [52]}

核融合加熱、測定、発電に対処するために、多くのアプローチ、機器、メカニズムが複数のプロジェクトで採用されています。^[53]

深層強化学習システムは、トカマク型原子炉の制御に使用されている。^[詳細]このシステムは、磁気コイルを操作してプラズマを管理することができた。このシステムは、適切な動作を維持するために継続的に調整することができた（ステップベースのシステムよりも複雑）。^[要出典] 2014年、Googleはカリフォルニアに拠点を置く核融合企業TAE Technologiesと協力し、ジョイント・ヨーロピアン・トーラス（JET）を制御してプラズマの挙動を予測し始めた。 ^[54] DeepMindはTCVを使用した制御スキームも開発している。^[55]

• 静電加熱：電界は荷電イオンや電子に作用してそれらを加熱する。 ^[56]
• 中性ビームの入射：水素は電場によってイオン化され加速されて荷電ビームを形成し、中性水素ガス源を通してプラズマに向かって照射される。プラズマ自体も磁場によってイオン化され閉じ込められる。中間水素ガスの一部は中性のまま荷電ビームとの衝突によってプラズマに向かって加速される。この中性ビームは磁場の影響を受けず、プラズマに到達する。プラズマ内に入ると、中性ビームは衝突によってプラズマにエネルギーを伝達し、プラズマをイオン化して磁場に閉じ込めることができるため、1 回の操作で原子炉の加熱と燃料補給の両方を行うことができる。荷電ビームの残りは磁場によって冷却されたビームダンプに向けられる。^[57]
• 高周波加熱：電波によってプラズマが振動する（電子レンジなど）。これは電子サイクロトロン共鳴加熱（ジャイロトロンなどを使用）や誘電加熱としても知られている。^[58]
• 磁気再結合：プラズマが高密度になると、その電磁気特性が変化し、磁気再結合を引き起こす可能性があります。磁気再結合は、エネルギーを瞬時にプラズマに放出し、急速に加熱するため、核融合に役立ちます。磁場エネルギーの最大45％がイオンを加熱できます。^{[59] [60]}
• 磁気振動：磁気コイルにさまざまな電流を流すことで、磁気壁内に閉じ込められたプラズマを加熱することができます。^[61]
• 反陽子消滅:核融合燃料の塊に注入された反陽子は、熱核反応を引き起こす可能性があります。宇宙船の推進方法としてのこの可能性は、反物質触媒核パルス推進として知られており、提案されたAIMStarプロジェクトに関連してペンシルベニア州立大学で調査されました。^{[引用が必要]}

核融合科学炉の診断は極めて複雑で多様である。^[62]核融合発電炉に必要な診断は多様であるが、商業化の時点では多くのリアルタイムフィードバックおよび制御診断が完成しているため、科学炉の診断ほど複雑ではない。しかし、商業核融合炉の動作環境は、連続動作によりプラズマ温度が高くなり、中性子照射レベルが高くなる可能性があるため、診断システムにとって科学炉よりも厳しいものとなる。提案されている多くのアプローチでは、商業化には、ヘリウムや不純物などのダイバータガスを測定および分離する機能や、トリチウム増殖液体リチウムライナーの状態などの燃料増殖を監視する機能が追加される必要がある。^[63]以下はいくつかの基本的な技術である。

• フラックスループ: 磁場にワイヤのループを挿入します。磁場がループを通過すると、電流が発生します。電流は、ループを通過する総磁束を測定します。これは、国立コンパクトステラレータ実験^[64]、ポリウェル^[65]、およびLDXマシンで使用されています。プラズマ内に置かれた金属物体であるラングミュアプローブを使用できます。電位がプローブに適用され、周囲のプラズマに対して電圧が与えられます。金属は荷電粒子を集め、電流を引き込みます。電圧が変化すると、電流が変化されます。これによりIV曲線が作成されます。IV曲線を使用して、局所的なプラズマ密度、電位、温度を決定できます。^[66]
• トムソン散乱: プラズマからの「光散乱」は、密度や温度などのプラズマの挙動を再構築するために使用できます。慣性閉じ込め核融合^[67] 、^[68]、フューザーで一般的です。ICFシステムでは、ターゲットに隣接する金箔に2番目のビームを照射すると、プラズマを横切るX線が生成されます。トカマクでは、光を反射するミラーと検出器を使用してこれを行うことができます。
• 中性子検出器：いくつかの種類の中性子検出器は中性子が生成される速度を記録することができる。^{[69] [70]}
• X線検出器粒子の速度が変化するたびに、可視光線、赤外線、紫外線、X線が放射されます。^[71]磁場による偏向が原因の場合、低速ではサイクロトロン放射、高速ではシンクロトロン放射となります。他の粒子による偏向が原因の場合、プラズマは制動放射線として知られるX線を放射します。^[72]

中性子ブランケットは中性子を吸収し、ブランケットを加熱します。ブランケットから電力を取り出す方法はいくつかあります。

• 蒸気タービンは作動流体に熱が伝達され、蒸気に変化して発電機を駆動することで駆動されます。 ^[73]
• 中性子ブランケット：これらの中性子は使用済み核分裂燃料を再生することができます。^[74]トリチウムは、液体リチウムの増殖ブランケットまたはリチウム含有セラミックペブルで作られたヘリウム冷却ペブルベッドを使用して生成できます。^[75]
• 直接変換：粒子の運動エネルギーを電圧に変換することができます。^[24]これは、1960年代後半にリチャード・F・ポストが磁気ミラーと組み合わせて初めて提案しました。これは、磁場反転構成や高密度プラズマフォーカス装置に提案されています。このプロセスは、核融合生成物のランダムエネルギーの大部分を方向性のある運動に変換します。その後、粒子はさまざまな大きな電位で電極に集められます。この方法は、実験的に48パーセントの効率を実証しています。^[76]
• 進行波管は、核融合反応から出たばかりの数メガボルトの荷電ヘリウム原子を、外側にコイル状の電線が巻かれた管に通します。高電圧で通過する電荷が電線を通じて電気を引き寄せます。

閉じ込めとは、プラズマを核融合を起こすのに十分な長さの密度と熱さに保つために必要なすべての条件を指します。一般原則:

• 平衡: プラズマに作用する力は均衡していなければなりません。唯一の例外は慣性閉じ込めで、この場合、核融合は分散時間よりも速く起こらなければなりません。
• 安定性: プラズマは、乱れによって分散しないように構築する必要があります。
• 輸送または伝導: 物質の損失は十分に遅くなければなりません。^[9]プラズマはエネルギーを運び去るので、物質の急速な損失は核融合を妨害します。物質は、異なる領域への輸送または固体または液体を介した伝導によって失われる可能性があります。

自立的な核融合を起こすには、反応によって放出されるエネルギーの一部を新しい反応物を加熱し、核融合の条件を維持するために使用する必要があります。

磁気ミラー効果。粒子が磁力線に沿って高磁場領域に入ると、粒子は反射される。この効果を応用した装置はいくつかある。最も有名なのは磁気ミラー装置で、1960年代から1980年代にかけてLLNLで作られた一連の装置である。^[77]他の例としては、磁気ボトルやバイコニックカスプがある。^[78]ミラー装置は直線状であるため、リング状の設計に比べていくつかの利点があった。ミラーは構築や保守が容易で、直接変換によるエネルギー捕捉も実装が容易だった。^[15]閉じ込めが不十分なため、このアプローチはポリウェル設計を除いて放棄された。^[79]

磁気ループは、円を描くか、またはより一般的には入れ子状のトロイダル面を描くように、磁力線をそれ自体に曲げます。このタイプの最も高度に発達したシステムは、トカマク、ステラレータ、および逆転磁場ピンチです。コンパクトトロイド、特に逆転磁場構成とスフェロマクは、トロイダル磁気面の利点と単純接続（非トロイダル）マシンの利点を組み合わせようとしており、機械的に単純で閉じ込め領域が小さくなります。

慣性閉じ込めは、急速な爆縮を利用してプラズマを加熱し閉じ込めるものである。燃料を囲むシェルは、直接レーザー爆風（直接駆動）、二次X線爆風（間接駆動）、または重いビームを使用して爆縮される。燃料は、エネルギービームを使用して固体密度の約30倍に圧縮される必要がある。直接駆動は原理的には効率的であるが、均一性が不十分なため成功していない。 [ ^{80] :19–20}間接駆動は、ビームを使用してシェルを加熱し、シェルがX線を放射するように駆動し、ペレットを爆縮する。ビームは通常レーザービームであるが、イオンビームや電子ビームも研究されている。^{[80] :182–193}

静電閉じ込め核融合装置は静電場を利用する。最もよく知られているのはフューザーである。この装置は陽極ワイヤーケージ内に陰極を備えている。正イオンは陰極内部ケージに向かって飛び、その過程で電界によって加熱される。イオンが内部ケージを逃すと衝突して核融合する。しかし、イオンは通常陰極に衝突し、非常に高い伝導損失が生じる。フューザーにおける核融合率は、光放射の形でのエネルギー損失など、競合する物理的影響のために低い。 [ ^81]非中性雲を使用して電界を生成することにより、ケージに関連する問題を回避する設計が提案されている。これらには、プラズマ振動装置、^[82]磁気シールドグリッド、^[83]ペニングトラップ、ポリウェル、^[84]および F1 陰極ドライバーコンセプトが含まれる。^[85]

核融合発電に検討されている燃料は、すべて水素の同位体である軽元素、すなわち、プロチウム、重水素、三重水素であった。^[8]重水素とヘリウム3の反応にはヘリウム3が必要であるが、ヘリウムの同位体は地球上では非常に希少であるため、地球外で採掘するか、他の核反応によって生成する必要がある。最終的には、副反応で中性子を生成することはあるものの、直接中性子を生成しないプロチウム–ホウ素11反応を採用することを研究者は望んでいる。^[86]

最も簡単でエネルギーが最も低い核反応は D+T です。

²
₁だ
+³
₁T
→⁴
₂彼
(3.5 MeV) +¹
₀ん
（14.1MeV）

この反応は、研究、産業、軍事の分野で一般的に行われており、通常は中性子源として使用されます。重水素は水素の天然同位体であり、一般的に入手可能です。水素同位体の質量比が大きいため、ウラン濃縮プロセスに比べて分離が容易です。三重水素は水素の天然同位体ですが、半減期が 12.32 年と短いため、発見、保管、製造が難しく、高価です。そのため、重水素 - 三重水素燃料サイクルでは、次のいずれかの反応を使用して リチウムから三重水素を生成する必要があります。

¹
₀ん
+⁶
₃李
→³
₁T
+⁴
₂彼

¹
₀ん
+⁷
₃李
→³
₁T
+⁴
₂彼
+¹
₀ん

反応中性子は、上に示した DT 核融合反応によって供給され、エネルギー収率が最も高くなります。⁶ Liとの反応は発熱反応であり、原子炉にわずかなエネルギー増加をもたらします。 ⁷ Liとの反応は吸熱反応ですが、中性子は消費されません。他の元素による吸収で失われた中性子を補充するには、中性子増倍反応が必要です。主な候補の中性子増倍物質はベリリウムと鉛ですが、^{7 Li 反応は中性子数を高く保つのに役立ちます。天然リチウムは主に7} Liであり、これは⁶ Liと比較してトリチウム生成断面積が低いため、ほとんどの原子炉設計では濃縮^{6 Li を使用した}増殖ブランケットを使用しています。

DT 核融合発電に一般的に見られる欠点は次のとおりです。

• 中性子の供給は原子炉材料の中性子放射化をもたらす。 ^{[87] :242}
• 得られたエネルギーの80％は中性子によって運び去られるため、直接的なエネルギー変換の使用は制限される。^[88]
• これには放射性同位元素のトリチウムが必要です。トリチウムは原子炉から漏れる可能性があります。一部の推定では、これはかなりの量の環境放射能放出を意味すると示唆しています。^[89]

商用DT核融合炉で予想される中性子束は核分裂発電炉の約100倍であり、材料設計に問題を引き起こしている。JETでの一連のDTテストの後、真空容器は十分な放射能を帯びていたため、テストの翌年は遠隔操作が必要になった。[ ^90]

生産環境では、中性子はリチウムセラミックペブルまたは液体リチウムで構成された増殖ブランケット内のリチウムと反応し、トリチウムを生成します。中性子のエネルギーはリチウムに蓄積され、それが電気生産の駆動力として伝達されます。リチウムブランケットは、原子炉の外側部分を中性子束から保護します。新しい設計、特に先進トカマクでは、原子炉コア内のリチウムを設計要素として使用します。プラズマはリチウムと直接相互作用し、「リサイクル」と呼ばれる問題を防止します。この設計の利点は、リチウムトカマク実験で実証されました。

2 つの重水素原子核の融合は、2 番目に簡単な核融合反応です。この反応には、ほぼ同等の確率で発生する 2 つの分岐があります。

²
₁だ
+²
₁だ
→³
₁T
+¹
₁H

²
₁だ
+²
₁だ
→³
₂彼
+¹
₀ん

この反応は研究でも一般的です。この反応を開始するための最適エネルギーは 15 keV で、DT 反応のエネルギーよりわずかに高いだけです。最初の分岐ではトリチウムが生成されるため、DD 炉はトリチウムやリチウムの入力を必要としないにもかかわらず、トリチウムフリーではありません。トリトンがすぐに除去されない限り、生成されたトリチウムのほとんどは炉内で燃焼され、トリチウムの処理が減りますが、より多くの高エネルギーの中性子が生成されるという欠点があります。DD 反応の 2 番目の分岐からの中性子のエネルギーはわずか 2.45 MeV (0.393 pJ) ですが、DT 反応からの中性子のエネルギーは 14.1 MeV (2.26 pJ) であるため、同位体生成と材料損傷が大きくなります。トリトンがすぐに除去され、³ He が反応する場合、燃料サイクルは「トリチウム抑制核融合」と呼ばれます。^[91]除去されたトリチウムは半減期12.5年の3He^{に崩壊する。3He}の崩壊を原子炉内で再利用することで、核融合炉は高速中性子に耐性のある材料を必要としない。

トリチウムが完全に燃焼すると仮定すると、中性子によって運ばれる核融合エネルギーの割合の減少は約 18% に過ぎないため、DD 燃料サイクルの主な利点はトリチウム増殖が不要になることです。その他の利点は、リチウム資源に依存しないことと、中性子スペクトルがやや柔らかいことです。DD の DT と比較した欠点は、エネルギー閉じ込め時間 (所定の圧力で) が 30 倍長く、生成される電力 (所定の圧力と体積で) が 68 倍少ないことです。^{[引用が必要]}

トリチウムが完全に除去され、3Heがリサイクルされると仮定すると^、核融合エネルギーのわずか6%が中性子によって運ばれる。トリチウム抑制DD核融合では、DTに比べて10倍長いエネルギー閉じ込めと2倍のプラズマ温度が必要である。^[92]

制御された核融合発電への第 2 世代のアプローチでは、ヘリウム 3 ( ³ He) と重水素( ² H) を組み合わせます。

²
₁だ
+³
₂彼
→⁴
₂彼
+¹
₁H

この反応により、 ⁴ Heと高エネルギー陽子が生成される。p- ¹¹ B中性子核融合燃料サイクルと同様に、反応エネルギーの大部分は荷電粒子として放出され、原子炉ハウジングの活性化を減らし、潜在的に（いくつかの経路のいずれかを介して）より効率的なエネルギー収集を可能にする。 ^[93]実際には、DD副反応は大量の中性子を生成するため、p- ¹¹ Bが中性子核融合の好ましいサイクルとなっている。^[93]

物質科学の問題と核不拡散の懸念は、どちらも非中性子核融合によって大幅に軽減されます。理論的には、最も反応性の高い非中性子燃料は³ He です。しかし、妥当な量の³ He を得るには、月や天王星または土星の大気圏での大規模な地球外採鉱が必要になります。したがって、このような核融合に最も有望な候補燃料は、容易に入手できるプロチウム (つまり陽子) とホウ素を融合することです。これらの核融合では中性子は放出されませんが、エネルギーを直接電力に変換できる高エネルギーの荷電アルファ (ヘリウム) 粒子が生成されます。

¹
₁H
+¹¹
₅B
→ 3⁴
₂彼

副反応では、出力の約0.1%しか持たない中性子が生成される可能性があります。^{[94] :177–182}これは、中性子散乱がエネルギー移動に使用されず、物質の活性化が数千分の1に減少することを意味します。この反応の最適温度は123 keV ^[95]で、純粋な水素反応の最適温度の約10倍高く、エネルギー閉じ込めはDT反応に必要な温度の500倍でなければなりません。さらに、出力密度はDTの2500倍低くなりますが、燃料の単位質量あたりでは、これはまだ核分裂炉と比較するとかなり高いです。

トカマクとレーザーペレット核融合の閉じ込め特性は限界的なため、非中性子核融合のほとんどの提案は、ポリウェルや高密度プラズマフォーカスなどの根本的に異なる閉じ込め概念に基づいています。2013年、エコール・ポリテクニークのクリスティン・ラボーヌ率いる研究チームは、陽子-ホウ素核融合の新しい核融合率記録を報告しました。1.5ナノ秒のレーザー発射中に推定8000万回の核融合反応が発生し、以前の実験で報告されたものの100倍でした。^{[96] [97]}

構造材料の安定性は重要な問題である。^{[98] [99]}核融合炉で経験する高温と中性子衝撃に耐えることができる材料が成功の鍵と考えられている。^{[100] [98]}主な問題は、プラズマによって生成される条件、壁表面の中性子劣化、および関連するプラズマ壁表面条件の問題である。^{[101] [102]水素透過性を低減することは、水素リサイクル[103]}とトリチウム在庫の制御に非常に重要であると考えられている。 ^[104]バルク水素溶解度と拡散率が最も低い材料は、安定したバリアの最適な候補となる。タングステンやベリリウムなどのいくつかの純粋金属^[105]と、炭化物、高密度酸化物、窒化物などの化合物が研究されてきた。研究では、十分に接着した完全なバリアを調製するためのコーティング技術が同等に重要であることが強調されている。最も魅力的な技術は、酸化のみでad層を形成する技術である。代替法では、強力な磁場と電場を伴う特定のガス環境を利用する。バリア性能の評価はさらなる課題である。古典的なコーティング膜ガス透過は、水素透過バリア（HPB）効率を決定するための最も信頼性の高い方法であり続けている。^[104] 2021年、2040年に向けた核融合発電炉の設計数の増加に対応して、英国原子力庁は、トカマク型原子炉を中心に5つの優先分野に焦点を当てた英国核融合材料ロードマップ2021-2040を発表した。

• 核融合発電所の構造における放射化量を最小限に抑える新しい材料。
• 核融合プロセスを維持するためにトリチウム燃料の増殖を最適化するために発電所内で使用できる化合物。
• 特に極低温条件下での核融合反応による放射線に耐性のある磁石と絶縁体。
• 高温（550 度以上）での中性子照射下でも強度を維持できる構造材料。
• 核融合材料のエンジニアリング保証 - 照射サンプルデータとモデル予測を提供し、プラント設計者、オペレーター、規制当局が材料が将来の商用発電所での使用に適していると確信できるようにします。

磁場に埋め込まれたプラズマ（磁化プラズマと呼ばれる）では、核融合率は磁場の強さの4乗に比例する。このため、プラズマの制御に磁場を利用する多くの核融合企業は、高温超伝導装置の開発に取り組んでいる。2021年、ロシアと日本の企業であるSuperOxは、核融合炉用の超伝導YBCOワイヤを製造するための新しい製造プロセスを開発した。この新しいワイヤは、1平方ミリメートルあたり700〜2000アンペアの電流を伝導することが示された。同社は9か月で186マイルのワイヤを製造することができた。^[106]

小規模な生産規模であっても、封じ込め装置は物質とエネルギーで爆発します。プラズマ封じ込めの設計では、次の点を考慮する必要があります。

• ^{最大 10 MW/m 2 の}熱負荷までの加熱および冷却サイクル。
• 中性子放射線は、時間が経つにつれて中性子活性化と脆化を引き起こします。
• 数十から数百電子ボルトで放出される高エネルギーイオン。
• 数百万電子ボルトで放出されるアルファ粒子。
• 高エネルギーで飛び出す電子。
• 光放射（IR、可視光線、UV、X線）。

アプローチによっては、これらの影響は核分裂炉よりも高くなることも低くなることもあります。^{[107]ある推定では、}放射線は一般的な加圧水型原子炉の100倍になるとされています。^[要出典]アプローチによっては、電気伝導性、透磁率、機械的強度などの他の考慮事項も重要になります。材料が長寿命放射性廃棄物になってはいけません。^[98]

長期使用では、壁の各原子は中性子に衝突され、材料が交換されるまでに約100回移動すると予想されます。壁の原子とのこれらの高エネルギー中性子の衝突により、中性子が吸収され、原子の不安定同位体が形成されます。同位体が崩壊すると、アルファ粒子、陽子、またはガンマ線を放出する可能性があります。アルファ粒子は、電子を捕獲して安定化すると、ヘリウム原子を形成し、粒界に蓄積して材料の膨張、水ぶくれ、または脆化を引き起こす可能性があります。^{[107] [108]}

タングステンは、そのユニークな特性と改良の可能性から、次世代核融合装置のプラズマ対向部品に最適な材料として広く認識されています。タングステンはスパッタリング率が低く、融点が高いため、核融合炉の高ストレス環境に特に適しており、急速な劣化を起こさずに厳しい条件に耐えることができます。さらに、共沈着と注入によるタングステンのトリチウム保持率が低いことは、核融合の文脈では不可欠であり、この放射性同位体の蓄積を最小限に抑えるのに役立ちます。^{[109] [110] [111] [112]}

液体金属（リチウム、ガリウム、スズ）は、例えば固体基板上に10m/sで流れる厚さ1～5mmの流れを注入することによって提案されている。^[要出典]

グラファイトは、物理的および化学的スパッタリングによる総侵食率が年間数メートルに及ぶため、スパッタされた物質の再堆積が必要となる。再堆積部位は一般にスパッタ部位と正確には一致しないため、正味の侵食が許容できないほどになる可能性がある。さらに大きな問題は、再堆積したグラファイトとともにトリチウムも再堆積することである。壁やほこりに蓄積されたトリチウムは数キログラムに上る可能性があり、これは資源の無駄遣いであり、事故が発生した場合の放射線の危険となる。グラファイトは短寿命実験用の材料として好まれているが、商用原子炉の主要プラズマ対向材料（PFM）になる可能性は低いと思われる。^{[98] [113]}

シリコンカーバイド（SiC）などのセラミック材料にもグラファイトと同様の問題がある。シリコンカーバイドのプラズマ対向部品におけるトリチウム保持量はグラファイトよりも約1.5～2倍高く、核融合炉の燃料効率の低下と安全リスクの増大につながる。SiCはより多くのトリチウムを捕捉する傾向があるため、核融合への利用が制限され、危険な蓄積のリスクが高まり、トリチウム管理が複雑になる。^{[114] [115]}さらに、SiCの化学的および物理的なスパッタリングは依然として大きく、時間の経過とともに共沈着し、粒子の流束が増加するとトリチウムが蓄積する。その結果、炭素ベースの材料はITER、DEMO、および同様の装置から除外されている。^[116]

タングステンのスパッタリング率は炭素よりも桁違いに小さく、再堆積したタングステンに取り込まれるトリチウムははるかに少ない。しかし、タングステンのプラズマ不純物は炭素不純物よりもはるかに有害であり、自己スパッタリングは高くなる可能性があるため、タングステンと接触するプラズマは高温すぎないことが必要である（数百eVではなく数十eV）。タングステンには、異常な事象における渦電流や溶融、およびいくつかの放射線学的問題もある。^[98]

格納容器材料の最近の進歩により、特定のセラミックが格納容器材料の寿命を実際に改善できることがわかった。チタンシリコンカーバイドなどのMAX 相に関する研究では、核融合の高温動作下では、ヘリウム気泡の成長によって材料が六方構造から面心立方 (FCC) 構造への相転移を起こすことがわかった。ヘリウム原子は、Ti-C スラブよりも移動しやすいため、六方構造の Si 層に優先的に蓄積される。より多くの原子がトラップされるにつれて、Ti-C スラブが剥がれ、新しい FCC 構造で Si 原子が非常に移動しやすい格子間原子になる。He 気泡によって引き起こされる格子ひずみにより、Si 原子は圧縮領域から拡散し、通常は材料の表面に向かって拡散し、保護用の二酸化ケイ素層を形成する。^[117]

鉄ケイ酸塩を容器材料に添加することは、核融合炉の封じ込め材料を強化する有望なアプローチとしても浮上している。この方法は、ヘリウム原子が蓄積して泡を形成するときに発生する一般的な問題である粒界でのヘリウム脆化をターゲットにしている。時間の経過とともに、これらの泡は粒界で合体し、膨張して材料の構造的完全性を低下させる。対照的に、鉄ケイ酸塩を導入すると、金属マトリックス内にヘリウム凝集にとって熱力学的に有利な核形成部位が形成される。鉄ケイ酸塩ナノ粒子の周りのこの局所的な凝集は、粒界を弱めるのではなくマトリックスの歪みを誘発し、材料の強度と寿命を維持する。^{[118] [119]}

事故の可能性と環境への影響は、核融合の社会的受容、つまり社会的許可にとって極めて重要である。^[120]核融合炉は壊滅的なメルトダウンを起こすことはない。^[121]正味エネルギーを生成するには、温度、圧力、磁場のパラメータを正確に制御する必要があり、必要な制御が損なわれたり失われたりすると、反応は急速に消滅する。 [ ^122]核融合炉は、いつでも数秒、あるいは数マイクロ秒分の燃料で稼働している。積極的な燃料補給がなければ、反応は即座に消滅する。^[121]

同じ制約が暴走反応を防止します。プラズマの容積は1,000 m ³ (35,000 cu ft) 以上になると予想されますが、プラズマに含まれる燃料は通常数グラムのみです。^[121]これと比較して、核分裂炉には通常、数か月または数年間分の燃料が搭載されており、反応を継続するために追加の燃料は必要ありません。この大量の燃料供給がメルトダウンの可能性を生み出します。^[123]

磁気封じ込めでは、原子炉構造によって機械的に固定されているコイルに強力な磁場が発生します。この構造が破損すると、この張力が解放され、磁石が外側に「爆発」する可能性があります。この事象の深刻さは、他の産業事故やMRI装置の急冷/爆発と同程度であり、核分裂炉で使用されるものと同様の封じ込め建屋内で効果的に封じ込めることができます。

レーザー駆動慣性封じ込めでは、反応室のサイズが大きいほど材料へのストレスが軽減されます。反応室が破損する可能性はありますが、燃料供給を停止することで壊滅的な破損を防ぐことができます。^[124]

ほとんどの原子炉設計では、冷却材として液体水素を使用し、漂遊中性子をトリチウムに変換して燃料として原子炉に戻します。水素は可燃性であり、敷地内に貯蔵されている水素が発火する可能性があります。この場合、水素のトリチウム部分が大気中に放出され、放射線の危険が生じます。計算によると、一般的な発電所には約1キログラム（2.2ポンド）のトリチウムとその他の放射性ガスが存在することが示唆されています。その量は十分少ないため、発電所の境界フェンスに到達するまでに法的に許容される限度まで希釈されます。^[125]

放射能の局所的放出や従業員の負傷を含む小規模な産業事故の可能性は、核分裂に比べて小さいと推定されている。これには、リチウムやトリチウムの偶発的な放出、または放射性原子炉部品の取り扱いミスが含まれる。^[124]

マグネットクエンチとは、超伝導コイルの一部が超伝導状態から抜けて通常の状態になったときに発生する、マグネット動作の異常終了です。これは、マグネット内部の磁場が大きすぎる場合、磁場の変化率が大きすぎる場合 (渦電流が発生し、銅サポート マトリックスが加熱される)、またはこの 2 つの組み合わせが原因で発生します。

より稀ではありますが、磁石の欠陥がクエンチを引き起こすことがあります。これが起こると、その特定の箇所が電流による急速なジュール熱を受け、周囲の領域の温度が上昇します。これにより、それらの領域も通常状態に押しやられ、連鎖反応でさらに加熱が進みます。超伝導コイルのサイズに応じて、磁石全体が数秒で急速に通常状態に戻ります。磁場のエネルギーが熱に変換され、極低温流体が沸騰するため、大きな音が伴います。電流が急激に減少すると、キロボルトの誘導電圧スパイクとアーク放電が発生する可能性があります。磁石が永久的に損傷することはまれですが、局所的な加熱、高電圧、または大きな機械的力によってコンポーネントが損傷する可能性があります。

実際には、磁石には通常、クエンチが検出されると電流を停止または制限する安全装置が付いています。大型の磁石がクエンチを起こすと、極低温流体の蒸発によって形成された不活性蒸気が呼吸可能な空気を押しのけて、作業者に 重大な窒息の危険をもたらす可能性があります。

2008 年、 CERNの大型ハドロン衝突型加速器の超伝導磁石の大部分が始動操作中に予期せずクエンチし、複数の磁石が破壊された。^[126]再発防止のため、LHC の超伝導磁石には、クエンチ イベントが検出されると作動する高速ランプ ヒーターが装備されている。双極子曲げ磁石は直列に接続されている。各電源回路には 154 個の個別の磁石が含まれており、クエンチ イベントが発生した場合、これらの磁石に蓄積されたエネルギーをすべて一度に放出する必要がある。このエネルギーは巨大な金属ブロックに伝達され、抵抗加熱により数秒で数百度まで加熱される。磁石のクエンチは、粒子加速器の運転中に「かなり日常的なイベント」である。^[127]

核融合反応の自然生成物は少量のヘリウムで、生命に無害です。有害なトリチウムを完全に保持することは困難です。

トリチウムは揮発性があり、生物学的に活性であるが、半減期が短く（12.32年）、崩壊エネルギーが非常に低い（約14.95 keV）、生体蓄積しない（体内から水として排出され、生物学的半減期は7～14日）ため、放出による健康リスクはほとんどの放射性汚染物質よりもはるかに低い。 [ ^128] ITERにはトリチウムの完全封じ込め施設が組み込まれている。^[129]

核融合炉は、核分裂炉に比べて放射性物質をはるかに少なく生成する。さらに、核融合炉で生成される物質は生物学的にそれほど有害ではなく、放射能は、廃棄物を安全に長期保管するための既存の工学能力の範囲内で十分に消散する。^[130]具体的には、非中性子核融合の場合を除き、^{[131] [132]中性子束が構造材料を放射性に変える。停止時の放射性物質の量は、重要な違いはあるものの、核分裂炉の放射性物質の量に匹敵する可能性がある。核融合および中性子活性化}放射性同位体の半減期は、核分裂によるものよりも短い傾向があるため、危険性はより急速に減少する。核分裂炉は数千年にわたって放射能を帯びる廃棄物を生成するが、核融合炉の放射性物質（トリチウム以外）は炉心そのものであり、その大部分は約50年間放射能を帯び、その他の低レベル廃棄物はその後も100年ほど放射能を帯びる。^[133]核融合廃棄物の半減期は短いため、長期保管の課題は解消される。500年後には、この物質は石炭灰と同じ放射毒性を持つようになる。^[125] しかし、低レベル廃棄物ではなく中レベル廃棄物として分類すると、安全性に関する議論が複雑になる可能性がある。^{[134] [130]}

従来の核分裂では、中性子断面積に応じて多くの材料が必要とされるが、核分裂では材料の選択に制約が少ない。核融合炉は、放射能になりにくい「低放射化」材料を使用して設計することができる。例えば、バナジウムはステンレス鋼よりもはるかに放射能が低くなる。^[135] 炭素繊維材料も低放射化で、強くて軽く、磁場を必要としないレーザー慣性炉に有望である。^[136]

いくつかのシナリオでは、核融合発電技術は軍事目的の物質生産に応用できる可能性がある。核融合発電所では大量のトリチウムを生産できる。トリチウムは水素爆弾の起爆装置や現代のブースト核分裂兵器に使用されているが、他の方法でも生産できる。核融合炉から得られる高エネルギー中性子は、核爆弾用の兵器級プルトニウムやウランを生成するために使用できる（例えば、²³⁸
Uから²³⁹
Pu、または²³²
から​²³³
U）。

2011年に実施された研究では、3つのシナリオが評価されました。^[137]

• 小規模核融合ステーション：濃縮ガス遠心分離機に比べて消費電力、放熱量、デザインがはるかに高いため、この選択は検出されやすく、したがって実現可能性が低い。^[137]
• 商業施設：生産能力は大きい。しかし、兵器に使用可能な物質の生産に必要な核分裂性物質や核分裂性物質は、民生用核融合システムに存在する必要は全くない。遮蔽されていない場合、これらの物質は、その特性ガンマ線によって検出できる。根本的な再設計は、定期的な設計情報検証によって検出できる。（技術的にはより実現可能な）固体増殖ブランケットモジュールの場合、入荷した部品に核分裂性物質が含まれていないか検査する必要がある。^[137]そうしないと、毎年数個の兵器用のプルトニウムが生産される可能性がある。^[138]
• 秘密性に関わらず兵器級物質を優先する：兵器に使用可能な物質を生産する最も早い方法は、民生用核融合発電所の改造である。民生用には兵器に適合する物質は必要ない。秘密裏に行動する必要がなくても、このような改造では生産開始までに約2か月、相当量の生産には少なくともさらに1週間かかる。これは、軍事利用を察知し、外交的または軍事的手段で対応するのに十分な時間であると考えられていた。生産を止めるには、原子炉を除いて施設の一部を軍事的に破壊するだけで十分である。^[137]

別の研究では、「...大型核融合炉は、たとえ核分裂性物質の増殖用に設計されていなくても、高品質の兵器と非常に低い原料要件で、年間数百kgのプルトニウムを容易に生産できる」と結論付けられている。本質的な核拡散抵抗性の機能の実装は、研究開発の初期段階でのみ可能である可能性があることが強調された。^[138]水素爆弾の設計に必要な理論的および計算ツールは、慣性閉じ込め核融合に必要なものと密接に関連しているが、磁気閉じ込め核融合との共通点はほとんどない。

核融合発電では、一般的に重水素を燃料として使用することが提案されており、現在の設計の多くではリチウムも使用されています。核融合エネルギー出力が1995年の世界全体の発電量である約100 E J/年（= 1 × 10 ²⁰ J/年）に等しく、将来的にこれが増加しないと仮定すると（可能性は低いですが）、現在知られているリチウム埋蔵量は3000年分になります。しかし、海水由来のリチウムは6000万年分であり、重水素のみを使用するより複雑な核融合プロセスでは1500億年分の燃料となります。^[139]これを文脈に当てはめると、1500億年は太陽の残りの寿命の30倍近く、^[140]宇宙の推定年齢の10倍以上です。

EUは1990年代を通じてほぼ100億ユーロを費やした。 ^[141] ITERは200億ドル以上の投資を表し、現物拠出を含めると数百億ドル以上になる可能性がある。^{[142] [143]}欧州連合の第6次フレームワークプログラムでは、核融合研究には7億5000万ユーロ（ITER資金に加えて）が割り当てられ、持続可能なエネルギー研究には8億1000万ユーロが割り当てられており、^[144]核融合エネルギーの研究はどの競合技術よりもはるかに進んでいる。米国エネルギー省は2010年以降毎年3億6700万～6億7100万ドルを割り当てており、2020年にピークを迎えた。 ^[145] 2021会計年度の予算要求では投資を4億2500万ドルに削減する計画である。^[146]この予算の約4分の1がITERの支援に充てられている。

投資額の規模とタイムラインのため、核融合研究は伝統的にほぼ独占的に公的資金で賄われてきた。しかし、2010年代に入ると、パラダイムを変える低炭素エネルギー源の商業化の見込みが、多くの企業や投資家を引きつけ始めた。^[147] 20社以上の新興企業が、2000年頃から2020年頃にかけて、主に2015年までに10億ドル以上を集め、2021年にはさらに30億ドルの資金とマイルストーン関連のコミットメントを集めた。^{[148] [149]}投資家にはジェフ・ベゾス、ピーター・ティール、ビル・ゲイツなどがいるほか、リーガル・アンド・ジェネラルなどの機関投資家、エクイノール、エニ、シェブロン、^[150]および中国のENNグループなどのエネルギー企業が名を連ねている。^{[151] [152] [153]} 2021年には、コモンウェルス・フュージョン・システムズ（CFS）が18億ドルのスケールアップ資金を獲得し、ヘリオン・エナジーはマイルストーン達成を条件にさらに17億ドルを獲得し、5億ドルを獲得した。^[154]

2000年代から2010年代初頭にかけて開発されたシナリオでは、核融合発電の商業化が人類文明の将来に与える影響について議論された。^[155]核分裂をガイドとして、これらのシナリオでは、ITERとその後のDEMOが2050年頃に最初の商業炉をオンライン化し、21世紀半ば以降に急速に拡大すると見られた。^[155]一部のシナリオでは、「核融合原子力科学施設」がITERの次のステップとして強調された。^{[156] [157]}しかし、トカマクベースの核融合発電に対する経済的障害は依然として大きく、プロトタイプのトカマク炉に資金を提供するための投資^[158]と新しいサプライチェーンの開発^[159]が必要であり、これはあらゆる種類の核融合炉に影響を与える問題である。^[160]トカマクの設計は労働集約的であるように思われるが、^[161]慣性核融合エネルギーなどの代替手段の商業化リスクは政府リソースの不足により高い。^[162]

2010年以降のシナリオでは、コンピューティングと材料科学の進歩により、2030年から2040年の間に、英国のエネルギー生産のための球状トカマクなどのさまざまな技術経路に沿った多段階の国家的または費用分担の「核融合パイロットプラント」（FPP）が^{可能になる}と指摘されています。[ 163 ^{] [ 157] [164] [ 165 ] [166] [167] [168] [169] [170]注目すべきことに、2021年6月にジェネラルフュージョンは、}カルハム核融合エネルギーセンターに世界初の大規模な官民パートナーシップ核融合実証プラントをホストするという英国政府の申し出を受け入れると発表しました。^[171]このプラントは2022年から2025年にかけて建設され、2025年後半の商用パイロットプラントへの道を開くことを目指しています。^[172]米国では、コストを分担する官民パートナーシップによるFPPの実現が有望視されており、^[173] 2022年にエネルギー省は、商業用核融合エネルギーのための大胆な10年ビジョンの中心となる新しいマイルストーンベースの核融合開発プログラムを発表しました。^[174]このプログラムでは、民間主導のチームがFPPの事前概念設計を実施し、技術ロードマップを定義し、FPP設計に向けた重要な科学的および技術的問題を解決するために必要な研究開発を推進することを想定していました。 [ ^175]このような実証プラントに基づく小型原子炉技術は、早期に市場を見つけることができれば、2030年代からフリートアプローチによる商業化を可能にする可能性があります。[ ^{176 ]}

非核再生可能エネルギーの普及により、エネルギー情勢は一変した。このような再生可能エネルギーは、2050年までに世界のエネルギーの74％を供給すると予測されている。 ^[177]再生可能エネルギー価格の着実な下落は、核融合発電の経済的競争力に課題をもたらしている。^[178]

一部の経済学者は、核融合発電のコストが他の再生可能エネルギーのコストに匹敵する可能性は低いと指摘している。 ^[178]核融合発電所は、多額の立ち上げ費用と資本コストに直面すると予想されている。さらに、運転とメンテナンスにもコストがかかる可能性がある。^[178]中国核融合工学試験炉のコストはよくわかっていないが、EUのDEMO核融合コンセプトは、均等化発電原価（LCOE）が121ドル/MWhになると予測されている。 ^[180]

燃料費は低いが、経済学者は、建設への資本投資が10億ドル増加するごとに、1ギガワットの発電所のエネルギーコストは1MWhあたり16.5ドル増加すると示唆している。また、簡単に入手できるリチウムがバッテリーの製造に使い果たされるリスクもある。海水からリチウムを得るには非常にコストがかかり、生成されるエネルギーよりも多くのエネルギーが必要になる可能性がある。^[178]

対照的に、再生可能エネルギーの均等化エネルギーコストの推定値は大幅に低くなっています。たとえば、2019年の太陽エネルギーの均等化エネルギーコストは40～46ドル/MWhと推定され、陸上風力は29～56ドル/MWh、洋上風力はおよそ92ドル/MWhと推定されています。^[181]

しかし、核融合発電は、再生可能エネルギーが残したエネルギーギャップを埋める役割を果たす可能性がある。 ^{[170] [178]}エネルギーと環境正義に関する政府の優先事項が市場にどのような影響を与えるかによる。^[154] 2020年代には、これらの要因を考慮し始めた核融合の社会経済的研究が登場し、^[182] 2022年にEUROFusionは、そのような要因が商業化の経路とスケジュールにどのように影響するかを調査するために、社会経済研究と将来的な研究開発の分野を立ち上げた。^[183]​​ 同様に、日本は2023年4月に核融合を産業化する国家戦略を発表した。^[184]したがって、核融合発電は、主要なエネルギー源になるのではなく、他の再生可能エネルギー源と連携して機能する可能性があります。^[178]一部の用途では、特に統合された熱貯蔵とコジェネレーションを含め、石炭火力発電所の改造の可能性を考慮すると、核融合発電はベースロードを提供できる可能性があります。^{[170] [178]}

核融合パイロットプラントが手の届く範囲に近づくにつれ、法律や規制の問題に対処する必要がある。^[185] 2020年9月、米国科学アカデミーは民間の核融合企業と協議し、国家規模のパイロットプラントの検討を開始した。翌月、米国エネルギー省、原子力規制委員会（NRC）、核融合産業協会は、プロセスを開始するための公開フォーラムを共催した。^[150] 2020年11月、国際原子力機関（IAEA）は、線量規制や放射性廃棄物の取り扱いなどの安全基準^[186]を作成するために、さまざまな国と協力し始めた。^[186] 2021年1月と3月、NRCは規制の枠組みに関する2つの公開会議を主催した。^{[187] [188]}官民の費用分担方式は、2021年12月27日のHR133統合歳出法案で承認され、核融合実証施設を建設するためのパートナーシッププログラムに5年間で3億2500万ドルを民間企業からの100％の資金で承認した。^[189]

その後、英国規制ホライズン評議会は、英国を核融合発電の商業化における世界的リーダーに位置付けるために、 2022年初頭までに核融合規制の枠組みを構築するよう求める報告書を発表した^{[190] 。 [191]}この要請に応えて、英国政府は2021年10月に核融合の規制と商業化をそれぞれ目的とした核融合グリーンペーパーと核融合戦略を発表した。 ^{[192] [193] [194]}その後、2023年4月、他の原子力規制当局に影響を与える可能性のある決定として、NRCは全会一致で、核融合エネルギーは核分裂ではなく粒子加速器と同じ規制体制の下で規制されると発表した。^[195]

その後、2023年10月に英国政府はエネルギー法2023を制定し、英国を核分裂とは別に核融合に関する法律を制定する最初の国とし、2040年に計画されているプロトタイプ核融合発電所（STEP）を含む計画と投資を支援しました。 ^[196]英国はこの点でカナダと日本と協力しています。^[197]一方、2024年2月、米国下院は核融合エネルギーシステムの規制枠組みを確立する核融合エネルギー法を含む原子力推進法を可決しました。^[198]

核融合は世界のエネルギー産業を変革し、気候変動を緩和する可能性を秘めていることから、^{[199] [200]核融合科学は伝統的に平和構築}科学外交の不可欠な部分と見なされてきた。^{[201] [129]}しかし、技術開発^{[202]と民間部門の関与により、知的財産、規制管理、世界的なリーダーシップ、 [199]}公平性、潜在的な兵器化に関する懸念が生じている。 ^{[153] [203]}これらはITERの平和構築の役割に疑問を投げかけ、国際委員会の設置を求める声につながった。^{[203] [204]}核融合発電が2050年までに気候変動に大きく寄与することは、大きなブレークスルーと宇宙開発競争の精神の出現がなければ考えにくいが、^{[164] [205]} 2100年までに貢献することは可能と思われるが、その程度は技術経路の種類、特にコストに依存する。^{[206] [207]}

2020年後半以降の展開により、複数の国が参入し、米国が中国^[48]や英国のSTEP FPP ^{[208]と対立する「新たな宇宙開発競争」の話が持ち上がった。 [209]}現在、中国は米国を上回る資金を投じており、米国の技術を凌駕すると脅している。^[210] 2020年9月24日、米国下院は研究および商業化プログラムを承認した。核融合エネルギー研究セクションには、商業宇宙産業を立ち上げたNASAのCOTSプログラムをモデルにした、マイルストーンベースの費用分担型官民パートナーシッププログラムが組み込まれた。^[150] 2021年2月、全米科学アカデミーは「米国のグリッドへの核融合の導入」を発表し、2035～2040年までに市場主導型の費用分担型プラントを推奨した^{[211] [212] [213]}。^[214]

2020年12月、独立した専門家委員会がEUROfusionのDEMOの設計と研究開発作業を審査し、EUROfusionは核融合エネルギーへのロードマップを進めており、欧州の核融合コミュニティと協力してDEMOの概念設計を開始していることを確認した。これは、EUが支援する機械が競争に参入したことを示唆している。^[215]

2023年10月、英国を中心とするアジャイルネイションズグループは核融合ワーキンググループを発表した。^[216] 1か月後、英国と米国は核融合エネルギーを加速するための二国間パートナーシップを発表した。その後、2023年12月のCOP28で、米国は核融合エネルギーを商業化する米国の世界戦略を発表した。^[217]その後、2024年4月に日本と米国が同様のパートナーシップを発表し、 [ ^218]同年5月、G7は核融合エネルギーに関するG7ワーキンググループを発表し、商業エネルギーの開発を加速し、国家間の研究開発を促進し、核融合規制を合理化するための国際協力を推進した。^[219]同年後半、米国はIAEAと提携して核融合エネルギーソリューションタスクフォースを立ち上げ、米国のCOP28声明に沿って、商業核融合エネルギーを加速するためのアイデアを共同でクラウドソーシングした。

特にトリチウム供給問題を解決するために、2024年2月、英国（UKAEA）とカナダ（カナダ原子力研究所）は、カナダがCANDU重水素ウラントリチウム生成重水原子力発電所を改修し、さらに新規建設も行い、2070年代までトリチウムの供給を保証する一方で、UKAEAは増殖炉材料を試験し、トリチウムを捕捉、精製し、核融合反応に再注入する方法をシミュレーションするという合意を発表した。^[220]

2024年、韓国と日本は、それぞれ2040年代と2030年代に稼働開始することを目指し、2030年代に発電用の官民核融合発電所を建設することで、国家核融合戦略を加速するための主要な取り組みを発表しました。^{[221] [222]}

核融合発電は、現在使用されているどの燃料消費型エネルギー源よりも、同じ重量の燃料でより多くのエネルギーを供給できると期待されています。^[223]燃料（主に重水素）は海洋に豊富に存在し、海水中の水素原子約6500個のうち約1個が重水素です。^[224]これは約0.015％に過ぎませんが、海水は豊富で入手しやすいため、核融合は数百万年にわたって世界のエネルギー需要を供給できる可能性があります。^{[225] [226]}

第一世代の核融合プラントは、重水素-三重水素燃料サイクルを使用することが期待されています。これには、三重水素の増殖にリチウムの使用が必要です。世界のリチウム供給が、この需要と電池および冶金産業の需要をどのくらい満たすのに十分であるかは不明です。第二世代のプラントは、より困難な重水素-重水素反応に移行すると予想されます。重水素-ヘリウム-3反応も興味深いですが、軽いヘリウム同位体は地球上に実質的に存在しません。月の表土には有用な量が存在すると考えられており、ガス惑星の大気中に豊富に存在します。

核融合エネルギーは、太陽系内のいわゆる「深宇宙」推進力として利用することができる^{[227] [228]}ほか、反物質核融合ハイブリッド駆動を含む太陽エネルギーが利用できない恒星間宇宙探査にも利用できる可能性がある^{[229] [230] 。}

核融合発電には多くの欠点がある。重水素と三重水素を燃料とする原子炉のエネルギーの 80 パーセントは中性子流の形で現れるため、核分裂炉の多くの欠点が共通している。これには、大量の放射性廃棄物の生成と原子炉部品への深刻な放射線損傷が含まれる。さらに、天然の三重水素は非常に稀である。核融合炉が自ら三重水素を増殖できることが期待されているが、三重水素の自給自足は極めて困難である。特に三重水素は封じ込めが難しいためである (米国の 65 の原子力施設のうち 48 から三重水素が漏れている^[231] )。いずれにせよ、予備および始動時の三重水素在庫要件は許容できないほど大きくなる可能性がある。^[232]

原子炉を重水素燃料のみで稼働させることができれば、三重水素補充の問題は解消され、中性子放射線による損傷も軽減される可能性があります。ただし、重水素-重水素反応の確率は、重水素-三重水素反応の確率の約 20 倍です。さらに、必要な温度は重水素-三重水素反応の約 3 倍です (断面図を参照)。温度が高く反応速度が低いため、エンジニアリング上の課題は大幅に複雑になります。いずれにしても、他の欠点は残ります。たとえば、重水素燃料のみを必要とする原子炉では、核兵器拡散の可能性が大幅に高まります。

制御された熱核融合を達成した最初の装置は、1958年初頭のロスアラモス国立研究所のピンチマシン「スキュラI」であった。これを達成したチームは、ジェームズ・タックというイギリス人科学者が率いており、若き日のマーシャル・ローゼンブルースも含まれていた。タックはマンハッタン計画に関わっていたが、1950年代初頭に核融合の研究に切り替えた。彼は、ライマン・スピッツァーとともに、ホワイトハウスが後援する核融合炉開発コンテストの一環として、この計画の資金援助を申請した。前年の1957年、イギリスはゼータピンチマシンで熱核融合反応を達成したと主張していた。しかし、彼らが検出した中性子は、核融合ではなく、ビームとターゲットの相互作用によるものであることが判明し、彼らはその主張を撤回した。

当時、スキュラIは機密扱いの機械だったため、その成果は一般公開されなかった。従来のZピンチはプラズマの中心に電流を流し、その外側に磁力を発生させてプラズマを核融合状態に圧縮する。スキュラIはθピンチであり、重水素を使って円筒の外側に電流を流し、中心に磁力を発生させた。^{[36] [37]}スキュラIの成功後、ロスアラモスはその後数年間にわたって複数のピンチマシンを建造した。

スピッツァーはプリンストンでステラレータの研究を続けた。核融合はすぐには実現しなかったが、この研究はプリンストンプラズマ物理学研究所の設立につながった。^{[233] [234]}

1950年代初頭、ソ連の物理学者IEタムとADサハロフは、低出力ピンチ装置と低出力ステラレータを組み合わせたトカマクの概念を考案した。^[201] ADサハロフのグループは最初のトカマクを建設し、初の準定常核融合反応を達成した。^{[235] :90}

時間が経つにつれて、「先進トカマク」の概念が生まれ、これには非円形プラズマ、内部ダイバータとリミッタ、超伝導磁石、安定性が向上した「Hモード」島での動作、^[236]および磁石を真空チャンバーの内側に配置するコンパクトトカマクが含まれていました。^{[237] [238]}

レーザー核融合は、1960年にレーザーが発明された直後の1962年にローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の科学者によって提案されました。レーザーを使用した慣性閉じ込め核融合実験は、早くも1965年に始まりました。^{[要出典] LLNLでは、}アルガス​​、サイクロプス、ヤヌス、ロングパス、シヴァレーザー、ノヴァなど、いくつかのレーザーシステムが構築されました。^[239]

レーザーの進歩には、赤外線レーザービームを紫外線ビームに変換する周波数3倍化結晶や、単一の波長を増幅して1つの周波数に再構成できるフルスペクトルに変換する「チャーピング」などがある。^[240] 1980年代のレーザー研究には10億ドル以上の費用がかかった。^[241]

トーレ・スープラ、JET、T-15、JT-60トカマクは1980年代に建設された。^{[242] [243]} 1984年、ORNLのマーティン・ペンは、はるかに小さな半径の球状トカマクを提案した。 ^[244]これは、中央に単一の大きな導体を使用し、この導体から半リングとして磁石を配置した。アスペクト比は1.2まで低下した。^{[245] :B247 [246] :225ペンの提唱は、}小型タイトアスペクト比トカマク（START）を建設したデレク・ロビンソンの関心を引いた。 ^[245]

1991年、欧州共同体トーラスにおける予備的トリチウム実験により、世界初の核融合エネルギーの制御放出が達成された。^[247]

1996年、トーレ・スープラは2分間、ほぼ100万アンペアの電流でプラズマを生成し、注入および抽出されたエネルギーの合計は280MJに達した。^[248]

1997年、JETは16.1MWのピーク核融合電力（熱の65%がプラズマに供給^[249]）を生み出し、10MWを超える核融合電力が0.5秒以上持続しました^{[250] 。}

「高速点火」^{[251] [252]}により電力が節約され、ICFはエネルギー生産の競争に参入した。

2006年、中国の実験的先進超伝導トカマク（EAST）試験炉が完成した。^[253]これは、超伝導磁石を使用してトロイダル磁場とポロイダル磁場の両方を生成する最初のトカマクであった。

2009年3月、レーザー駆動ICF NIFが稼働を開始した。^[254]

2000年代には、 TAEテクノロジーズ^[255] 、ジェネラル・フュージョン^[256 ] 、^[257]、トカマク・エナジー^[258]などの民間支援を受けた核融合企業が競争に参入した。

2010年代には民間と公的研究が加速した。ジェネラル・フュージョンはプラズマインジェクター技術を開発し、トリアルファ・エナジーはC-2U装置をテストした。^[259]フランスのレーザー・メガジュールが稼働を開始した。NIFは2013年に純エネルギー増加^[260]を達成したが、これは標的全体ではなく、崩壊した標的の中心にあるホットスポットという非常に限定的な意味で定義されたものである。^[261]

2014年、フェニックス原子力研究所は、 24時間にわたって毎秒5×10 ^11の重水素核融合反応を維持できる高出力中性子発生器を販売した。 ^[262]

2015年にMITはARC核融合炉と名付けられたトカマク型核融合炉を発表した。これは希土類バリウム銅酸化物（REBCO）超伝導テープを使用して高磁場コイルを製造し、他の設計よりも小さな構成で同等の磁場強度を生成できると主張した。^[263]

10月、ドイツのグライフスヴァルトにあるマックスプランクプラズマ物理学研究所の研究者らは、これまでで最大のステラレータであるヴェンデルシュタイン7-X（W7-X）の建造を完了した。W7-Xステラレータは2015年12月10日に運用フェーズ1（OP1.1）を開始し、ヘリウムプラズマの生成に成功した。^[264]その目的は、重要なシステムをテストし、装置の物理的性質を理解することだった。2016年2月までに、温度が1億ケルビンに達した水素プラズマが達成された。最初のテストでは、5つのグラファイトリミタを使用した。2,000回を超えるパルスと重要なマイルストーンを達成した後、OP1.1は2016年3月10日に終了した。その後アップグレードが行われ、2017年のOP1.2では、非冷却ダイバータのテストを目指した。2018年6月までに、記録的な温度が達成された。 W7-Xはリミッターとアイランドダイバーターのテストで最初のキャンペーンを終了し、2018年末までに顕著な進歩を達成しました。 ^{[265] [266] [267]}すぐに最大30分間持続するヘリウムと水素のプラズマを生成しました。^[268]

2017年、ヘリオン・エナジーの第5世代プラズママシンが稼働を開始した。^[269]英国のトカマク・エナジーのST40が「最初のプラズマ」を生成した。^[270]翌年、エニはMITのARC技術の商業化を試みるため、コモンウェルス・フュージョン・システムズに5000万ドルの投資を発表した。 ^{[271] [272] [273] [274]}

2021年1月、スーパーオックスは700A/mm2以上の電流容量を備えた^新しい超伝導線の商品化を発表した。^[275]

TAEテクノロジーズは、ノーマン装置で約60MKの温度を30ミリ秒間維持する結果を発表した。これは同社の以前の装置と比較してそれぞれ8倍と10倍高い値である。^[276]

10月、オックスフォードに拠点を置くファースト・ライト・フュージョンは、アルミニウムの円盤を核融合ターゲットに発射し、9メガアンペアの電気パルスで加速して秒速20キロメートル（12マイル/秒）の速度に達するという、その発射体核融合プロジェクトを発表した。その結果生じる核融合によって中性子が生成され、そのエネルギーは熱として捕捉される。^[277]

11月8日、APSプラズマ物理学部門の第63回年次会議での招待講演で、^[278]国立点火施設は、2021年8月8日に実験室で核融合点火を引き起こしたと主張した^[279]。これは、ICFプログラムの60年以上の歴史の中で初めてのことである。^{[280] [281]}このショットは1.3MJの核融合エネルギーを生み出し、2021年春に行われたテストの8倍以上の改善であった。^[279]国立点火施設は、230kJのエネルギーが燃料カプセルに到達し、その結果カプセルからのエネルギー出力がほぼ6倍になったと推定している。 [279]インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者は、点火が実証されたことにこの分野の大多数が同意していると述べた。^{[279 ]}

2021年11月、ヘリオン・エナジーは、純電力生産量を実証するために設計された第7世代ポラリス装置向けにシリーズEの資金調達で5億ドルを調達し、特定のマイルストーンに結びついた追加の17億ドルのコミットメントを受けたと報告した。^{[282 ]一方、コモンウェルス・フュージョン・システムズは、} SPARCトカマクの建設と運用のためにシリーズBの資金調達でさらに18億ドルを調達した。これは民間の核融合企業への単一投資としては最大規模である。^[283]

2022年4月、ファーストライトは、極超音速弾頭核融合プロトタイプが核融合に適合する中性子を生成したと発表した。同社の技術は、マッハ19で電磁的に弾頭をケージ燃料ペレットに発射する。重水素燃料はマッハ204で圧縮され、圧力レベルは100TPaに達する。^[284]

2022年12月13日、米国エネルギー省は、国立点火施設の研究者が核融合反応による純エネルギー増加を達成したと報告した。施設での水素燃料の反応は、2.05 MJの入力を消費しながら約3.15 MJのエネルギーを生み出した。しかし、核融合反応は3メガジュール以上のエネルギーを生み出した可能性があるが（ターゲットに供給されたエネルギーよりも多く）、NIFの192個のレーザーは変換プロセスで322 MJのグリッドエネルギーを消費した。^{[1] [2] [285] [286]}

2023年5月、米国エネルギー省（DOE）は、核融合発電所の設計と研究活動を支援するため、7つの州の8つの企業に4,600万ドルの助成金を提供した。マイルストーンベースの核融合開発プログラムに基づくこの資金は、10年以内にパイロット規模の核融合を実証し、2050年までに核融合をカーボンニュートラルなエネルギー源として開発するという目標に沿っている。助成金を受けた企業は、今後5〜10年で実行可能な核融合パイロットプラントの設計を作成するための科学的および技術的な課題に取り組むことを任されている。受領企業には、Commonwealth Fusion Systems、Focused Energy Inc.、Princeton Stellarators Inc.、Realta Fusion Inc.、Tokamak Energy Inc.、Type One Energy Group、Xcimer Energy Inc.、Zap Energy Inc.などがある。^[287]

2023年12月、日本・那珂市で最大かつ最先端のトカマクJT-60SAが稼働を開始した。この原子炉は日本と欧州連合の共同プロジェクトであり、2023年10月に最初のプラズマを達成した。^[288]その後、韓国の核融合炉プロジェクトである韓国超伝導トカマク先端研究は、2023年12月から2024年2月にかけて行われたプラズマ試験で、1億度を超える高イオン温度を含む高封じ込めモード（Hモード）で102秒間の運転に成功した。^[289]

Fusion の記録は進歩し続けています:

• クレリー、ダニエル (2014)。太陽のかけら: 核融合エネルギーの探求。オーバールック・プレス。ISBN 978-1468310412。
• コックバーン、スチュワート、エリーヤード、デイヴィッド（1981年）。 『オリファント、マーク・オリファント卿の生涯と時代』 Axiom Books。ISBN 978-0959416404。
• ディーン、スティーブン・O.（2013）。究極のエネルギー源の探求：米国の核融合エネルギー計画の歴史。Springer Science & Business Media。ISBN 978-1461460374。
• Hagelstein, Peter L. ; McKubre, Michael ; Nagel, David; Chubb, Talbot; Hekman, Randall (2004). 「金属重水素化物における新しい物理的効果」(PDF) .第 11 回凝縮物質核科学. 第 11 巻 . ワシントン: 米国エネルギー省 . pp. 23–59. Bibcode :2006cmns...11...23H. CiteSeerX  10.1.1.233.5518 . doi :10.1142/9789812774354_0003. ISBN 978-98125664092007年1月6日時点のオリジナル（PDF）よりアーカイブ。（原稿）
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• 長峰 兼忠 (2003) 「ミューオン触媒核融合」ミューオン科学入門ケンブリッジ大学出版局ISBN 978-0521038201。
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• 核融合装置情報システム
• 核融合エネルギー基地
• 核融合産業協会
• プリンストン衛星システムニュース
• 米国核融合エネルギー科学プログラム