National Ignition Facilityのターゲット室では、コショウの実ほどの核融合燃料のペレットに、192本のレーザービームの焦点を合わせている。
ローレンス・リバモア国立研究所
2010年10月、ローレンス・リバモア国立研究所の研究者は、米国サッカー場3面分の広さの建物の中で、192本のレーザービームをパワーアップし、そのエネルギーを高速トラックのパンチ力に凝縮してパルス化し、ペッパーコーンサイズの核燃料の塊に向けて発射しました。
それから10年、約3000回の発射が行われたが、NIFはまだ、レーザーターゲットが蒸発・崩壊する際の複雑で不十分な挙動に阻まれ、発射よりも発泡を多く発生させている。 しかし、新しいターゲット設計とレーザー パルス形状、および小型の爆発を監視するための優れたツールにより、NIF の研究者は、「燃焼プラズマ」として知られる重要な中間マイルストーンに近づいていると考えています。 リバモアの核融合プログラムを監督するMark Herrmann氏は、NIFが閾値に達すると、点火への道が容易になることをシミュレーションが示唆していると言います。 「私たちはできる限り頑張っています。 「我々の理解が加速しているのを感じていただけると思います」。 外部の人間も感心している。 インペリアル・カレッジ・ロンドンの慣性核融合研究センターの共同ディレクターであるスティーブン・ローズ氏は、「着実に進歩し、当て推量が少なくなっているのを感じます」と言う。 「彼らは伝統的な設計から離れ、新しいことを試みているのです」
NIF には、しかし時間の余裕はないかもしれません。 核弾頭の信頼性を検証するために核爆発をシミュレートする実験であるストックパイル・スチュワードシップに多くのショットを確保するために、点火作業に費やされる NIF ショットの割合は、2012 年の 60% 近くから現在は 30% 未満にまで削減されています。 近年の大統領予算要求では、NIFやその他の場所での慣性閉じ込め核融合の研究を削減しようとして、議会がそれを維持することが繰り返されてきた。 NIFの資金源である国家核安全保障局（NNSA）は、5年ぶりにこの装置の進捗状況を見直すことになった。 核兵器の近代化というプレッシャーの中で、NNSAはストックパイル・スチュワードシップへのさらなる移行を決定する可能性がある。 2010年から2014年までリバモアの核融合エネルギーの取り組みを指揮したマイク・ダンは、「点火プログラムはしぼんでしまうのでしょうか」と問いかけます。 「陪審は出ている」
核融合は、容易に入手できる水素の同位体によって燃料を供給し、長期的な放射性廃棄物を生成しない、カーボンフリーのエネルギー源として長い間持ち上げられてきた。 しかし、2035年以降のエネルギー獲得を目指しているフランスのITERプロジェクトのような、ゆっくりと燃えるドーナツ型の磁気炉にとってさえ、それはまだ遠い夢です。
NIFやその他の慣性核融合装置は、炉というより内燃エンジンに近く、小さな燃料ペレットの急速な爆発によってエネルギーを生産します。 ビームはホーリュームと呼ばれる消しゴムほどの大きさの金缶を加熱し、その中心にある燃料カプセルを数千万度に加熱して数十億気圧に圧縮し、核融合に点火するためのX線パルスを放射します。
しかし、最初の3年間の点火キャンペーンでは、それぞれ約1キロジュール（kJ）のエネルギーしか得られませんでした。これは、X線パルスによってカプセルに送り込まれた21kJには足りず、最初のレーザーパルスの1.8メガジュール（MJ）にははるかに及びません。 最初のキャンペーンを率いたジークフリード・グレンザー氏は、チームが点火に到達することに対して「過度に野心的」であったと言う。 現在SLAC国立加速器研究所にいるGlenzer氏は、「私たちはシミュレーションに過度に依存していました」と言います。 核融合反応がどこで起こっているかを3Dで見ることができるように、中性子検出器を増やしたのです。 また、4本のレーザービームを、爆縮の瞬間に高出力・超短パルスを発生させ、ターゲットに近い細いワイヤーを蒸発させるようにした。 この細線はX線の閃光の役割を果たし、燃料が圧縮される様子を見ることができる。 「カリフォルニア大学バークレー校の惑星科学者レイモンド・ジャンロズ氏は、NIFを使って木星のような巨大惑星の核の圧力を再現しています。 (NIFの撮影の約10％は基礎科学に費やされています）
より鋭い視野で、研究者は崩壊する燃料ペレットからのエネルギー漏れを突き止めました。 その1つは、発射前に小さなチューブでカプセルに燃料を注入する箇所でした。 この漏れを塞ぐために、研究チームはチューブをさらに細くした。 その他の漏れは、カプセルのプラスチック製の殻に原因があることがわかったので、研究者は製造方法を見直して、わずか100万分の1メートルの不完全な部分を滑らかにしました。 323>
Fire by trial
The National Ignition Facilityは、レーザーパルスとターゲットを変更することにより、核融合点火（入るより出る方が多いエネルギー）に迫りました。 中間目標である自己加熱「燃焼プラズマ」に必要な温度と圧力にさらに近づいています。
20ナノ秒レーザーパルスの形も遊んだという。 初期のショットでは、燃料が急速に加熱されて圧縮されにくくなるのを避けるために、出力をゆっくりと上昇させた。 2017年に始まった現在のキャンペーンでは、研究者は、ハルラウムとカプセルを最大20％拡大し、カプセルが吸収できるX線エネルギーを増加させることによって、温度を高めています。 圧力を上げるために、彼らはパルスの持続時間を延長し、燃料をより効率的に圧縮するために、プラスチックカプセルから高密度のダイヤモンドカプセルに切り替えている」
NIFは繰り返し60kJに近い収量を達成している。 しかしHerrmannは、今月初めにアメリカ物理学会のプラズマ物理学部門で議論された最近のショットでは、それを上回ったと述べている。 今後、何度も実験を行い、100kJ程度と予測される燃焼プラズマにどれだけ近づけるかを測定する予定である。 「
最大圧縮時でさえ、燃料のごく中心部だけが融合するのに十分な温度になっていると、NIFの研究者は考えています。 しかし、心強いことに、このホットスポットは、核融合反応によって生成されたヘリウム原子核やアルファ粒子を激しく動かすことによって、加熱が促進されている証拠だとの見方があります。
Herrmann氏によると、チームはまだいくつかのトリックを試しており、それぞれが温度と圧力を、燃焼プラズマと点火を維持できるほど高いレベルに引き上げる可能性があるそうです。 エネルギーをよりカプセルに集中させるために、さまざまな形のホールルームをテストしています。 また、X線エネルギーをより効率的に捕捉・伝達できる二重壁のカプセルの実験も行っている。 また、燃料をカプセルの壁に氷として凍らせるのではなく、カプセルの中の泡に染み込ませることで、より良い中心部のホットスポットを形成することを期待しています。 これらのステップで十分でない場合、レーザーのエネルギーを高めることが次の選択肢となる。 NIFの研究者は、4つのビームラインでアップグレードをテストし、エネルギーブーストを得ることに成功しました。 NIFや他の場所の核融合科学者は、NNSAのレビューの結論を待ち望んでいます。 “どこまでできるのか？” とHerrmannは問いかける。 「私は楽観主義者です。 私は楽観主義者だ。できる限りNIFを押し進める」
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