Research press release

物理学:電気化学を用いた核融合反応速度の促進

Nature

重水素融合反応速度を向上させる電気化学的方法を報告する論文が、Nature にオープンアクセスで掲載される。この手法は、消費するエネルギーよりも多くのエネルギーを生産する段階までにはまだ遠いものの、低エネルギーの電気化学プロセスを用いて、はるかに高いエネルギー規模での核反応速度に影響を与える可能性を示している。

核融合は、太陽を動力源とするプロセスで、2つの軽い原子核が1つの重い原子核に結合し、エネルギーを放出する。核融合は、クリーンエネルギー源として期待されているが、現在の核融合炉は、消費するエネルギーよりも多くのエネルギーを生産する十分な融合反応を起こすことができない。融合速度を制御する要因の一つは、燃料の密度で、密度が高くなるほど粒子衝突の確率が増加し、その結果融合反応の確率も高まる。

核融合発電の一つの方法では、磁場、温度、および圧力を組み合わせて核燃料(通常は水素の重同位体である重水素のプラズマ)を圧縮し、核融合が発生する状態まで高める。しかし、これはまだ開発段階にある。

Curtis Berlinguetteら(ブリティッシュコロンビア大学〔カナダ〕)は、電気化学を活用することによる重水素の核融合速度を向上させるための異なる方法を提案している。著者らは、Thunderbird Reactorと名づけた卓上型粒子加速器を設計した。この装置は、パラジウムの標的へ重水素イオンのビームを照射する。パラジウムに埋め込まれた重水素の濃度が増加するにつれ、埋め込まれた重水素とビームから新たに到着する重水素の衝突による融合反応の速度も増加し、最終的に定常状態に達する。パラジウムの標的は、電気化学セルに接続されており、このセルを起動すると追加の重水素が標的へ供給され、融合速度が上昇する。平均して、電気化学負荷なしの場合と比べて融合速度は15%増加した。著者らは、現時点ではThunderbird Reactorは入力電力15Wあたり約1×10のマイナス9乗(10億分の1)Wの出力にとどまる点を指摘している。

エネルギー収支に優れた核融合の実現はなお課題であるものの、「それでも、電気化学を用いて核融合の速度を増加させることは、重要な成果である」と、Amy McKeown-GreenとJennifer Dionneは同時掲載されるNews & Viewsで述べている。「核物理学、化学、および材料科学にわたる技術的進展を駆使し、著者らは、利用可能な卓上型核反応炉による低エネルギー核融合の広範な研究の道筋を拓いている」と付け加えている。

Chen, KY., Maiwald, J., Schauer, P.A. et al. Electrochemical loading enhances deuterium fusion rates in a metal target. Nature 644, 640–645 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09042-7

An electrochemical method for enhancing deuterium fusion rates is described in Nature. Although this scheme is still a long way from being able to produce more energy than is consumed, the experiment demonstrates the possibility of using low-energy electrochemical processes to influence nuclear reaction rates at much higher energy scales.

Nuclear fusion, the process that powers the Sun, involves the combining of two light atomic nuclei into a single heavier nucleus, which releases energy. Fusion is thought to have potential as a clean energy source, but current fusion reactors cannot produce enough fusion events to generate more power than they consume. One factor controlling fusion rates is the density of the fuel — higher densities increase the probability of particle collisions, and hence the probability that they will undergo fusion.

In one approach to fusion power, a combination of magnetic fields, temperatures and pressures is used to compress the nuclear fuel (typically a plasma of deuterium, a heavy isotope of hydrogen) to the point where fusion occurs. However, this is still a work in progress.

Curtis Berlinguette and colleagues explore a different route for boosting the fusion rate of deuterium — one that uses electrochemistry. They designed a benchtop particle accelerator, named the Thunderbird Reactor, that bombards a palladium target with a beam of deuterium ions: as the deuterium concentration implanted in the palladium rises, so does the rate of fusion events resulting from collisions between the implanted deuterium and those newly arriving in the beam, until a steady state is reached. The palladium target is also attached to an electrochemical cell and, when this is turned on, additional deuterium is loaded into the target, and the fusion rate increases. On average, the fusion rate increased by 15% compared with no electrochemical loading. The authors note that in its present incarnation, the Thunderbird Reactor only produces approximately 1x10^-9 (one billionth) W of power for every 15 W of input power.

Energy-efficient nuclear fusion remains a challenge for now. “Nevertheless, the use of electrochemistry to increase the rate of nuclear fusion is a considerable achievement,” Amy McKeown-Green and Jennifer Dionne write in an accompanying News & Views. “Equipped with technological developments that span nuclear physics, chemistry and materials science, the authors are paving the way for a more widespread investigation of low-energy fusion driven by accessible, bench-top nuclear reactors,” they add.
 

doi: 10.1038/s41586-025-09042-7

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