創立 5 周年を迎えた米国立点火施設 (NIF) は、カリフォルニア州にある問題を抱えたレーザー核融合施設であり、核融合科学者が熱狂的に取り組める成果をついに生み出しました。昨年末に行われた一連の実験で、NIF の研究者は以前の 10 倍のエネルギー収量を生み出すことに成功し、核融合が最終的な目標である「点火」に到達するために不可欠な自己発熱現象を実証しました。 -消費するよりも多くのエネルギーを生成する持続的な燃焼反応。
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スティーブン・ローズは、「これは非常に重要な成果であり、より高い収量を達成するための出発点として非常に適しています」と述べています。
カリフォルニア州のローレンス リバモア国立研究所にある NIF は、水素の 2 つの同位体である重水素と三重水素の原子核を融合させることにより、太陽と水素爆弾のエネルギー源を再現することを目指しています。これは、世界最高エネルギーのレーザーを使って原子核を非常に高い温度と圧力に加熱することによって行われ、原子核同士が自然な相互反発力を克服するのに十分な力で衝突します。
2009 年に完了した後、NIF の研究者は、できるだけ早く点火を達成するための 3 年間のキャンペーンに着手しました。しかし、その期間が終わったとき、彼らはまだ目標にはほど遠い状態でした。米国議会は、より探索的な一連の実験を実施し、問題を特定するために、ラボにさらに 3 年間の猶予を与えました。
本日 Nature に掲載された新しい結果 そして先週のフィジカル レビュー レター 、このアプローチが機能していることを示す最初の兆候です。 「これは素晴らしい結果です」と、別のレーザー核融合研究所であるニューヨークのロチェスター大学のレーザーエネルギー研究所所長である Robert McCrory 氏は言い、NIF はまだ点火には程遠いと付け加えた。 「すぐにブレークスルーを期待している人はがっかりするでしょう」と彼は言います.
核融合に必要な極端な条件に到達するために、フランスの ITER 原子炉などの一部の施設では、強力な磁場を使用して燃料を拘束し、粒子ビームで加熱しています。 NIF は別のアプローチに従います。燃料の小さなサンプルをレーザー パルスで爆破して、小さな核融合爆発を起こします。すべてがうまくいけば、爆発はレーザーパルスよりも高いエネルギーを持ち、正味のエネルギーゲインを提供します. NIF のレーザーは、サッカー スタジアムのサイズで、1.9 メガジュール (時速 160 km で走行する 2 トンのトラックの運動エネルギーにほぼ相当) を放出できる 192 の紫外線ビームをわずかナノ秒のパルスで生成します。
紫外線はX線に変換され、燃料カプセルに当たる。燃料カプセルはコショウの実よりも小さい中空のプラスチック球で、0.17ミリグラムの凍結した重水素とトリチウムが含まれている。強いX線パルスがカプセルに当たると、プラスチックの一部が吹き飛ばされます。これにより、残りのプラスチックと凍結した燃料が高速で中心に向かって押し込まれます。すべてが計画通りに進めば、核融合反応を引き起こすのに十分な熱と密度の 5000 万ケルビン、鉛の 100 倍の密度の核融合燃料の小さな球ができあがります。
点火に到達するための NIF の当初の計画は、リバモアや他の研究所での以前の研究に基づくシミュレーションに大きく依存していました。 NIF の科学者がショットを発射し始めると、プロセス全体が機能しているように見え、シミュレーションは、NIF が多くの核融合を得るはずであると予測しました。しかし、機器は別の話をしました。エネルギー収量は非常に低かったのです。 2012 年に議会は調査を命じ、最終的にはシミュレーションと実験の相違を説明できないとして NIF の研究者を批判しました。 2013 年に、NIF の研究者は問題をより科学的に調査し始めました。また、研究室のリーダーが交代し、新しい研究者がチームに加わりました。
彼らは 2 つの重要な問題を特定しました。燃料ペレットの圧縮はしばしば対称的ではなく、ドーナツ型の燃料の塊が生成されました。爆縮の間、プラスチック製のカプセルが壊れて燃料と混ざり合い、最後に核融合を起こすのが難しくなりました.
形状の問題に取り組むために、新しいチームは 192 のレーザー ビームの相対的なエネルギーをいじり始め、より対称的な爆縮が得られることを期待して、ある場所ではもう少し押し込み、他の場所では少し押し下げました。
カプセルの崩壊を防ぐために、研究者はレーザーパルスのタイミングを調整しました。以前のショットでは、20 ナノ秒のほとんどを低出力で実行して、燃料を加熱せずに内破を動かし、最終的な火花のために高出力のバーストで終了していました。この「ローフット」アプローチの背後にあるアイデアは、冷たい燃料が最終的に高密度に圧縮されるというものでした。欠点は、速度が遅いため、カプセル時間が壊れてしまうことでした.ワシントンにある海軍研究所のプラズマ物理部門のレーザー プラズマ部門の責任者である Stephen Obenschain 氏は、ロー フット ショットでは、「一度に多くの有害なことが起こっているため、何が起こっているのかを理解することはできません」と述べています。 、DC
新しい NIF チームは、わずか 15 ナノ秒後に燃料をより速く内破させ、パルスをより早く終了させるために、わずかに高い出力で開始するパルスを試すことにしました。このような「ハイフット」パルスでは、最終的に密度を高くすることはできませんが、研究者は混合を制御するのに役立つことを望んでいました.昨年 8 月 13 日に実行されたショットは、エネルギー収量が大幅に増加したことで、彼らが正しかったことを証明しました。 9 月 27 日と 11 月 19 日の別の 2 回のショットでは、爆縮中に核融合燃料に蓄積されたエネルギー (11 および 9 キロジュール) よりも多くのエネルギー (14.4 および 17.3 キロジュール) を生成しました。レーザー核融合実験。 「私たちは以前に試みられたことから一歩後退し、それが私たちに飛躍をもたらしました」と NIF チーム リーダーのオマール ハリケーンは今週の記者会見で語った。
重要なことに、チームは、核融合収率の増加に不可欠な自己発熱現象も確認しました。核融合反応ではアルファ粒子 (ヘリウム核) と中性子が生成され、燃料のコアで反応が始まると、アルファ粒子は周囲のより低温の燃料を反応温度まで加熱することで助けられます。 NIFチームは、彼らの最高のショットでは、このアルファ加熱が核融合収率を2倍にしたと考えています. 「アルファは本当にガスを加熱します」と Rose は言います。
オブザーバーはまた、昨年のショットでは、シミュレーションと実験結果の間でより緊密な一致があったことにも注目しています。 「これらの要求の少ない内破を行うことで、結果はコードと一致するようになり、非常に励みになります」と、元 NIF ディレクターで現在はサンディア国立研究所に勤務している Michael Campbell は述べています。 「今では、以前にはできなかった方法でシミュレーションを信頼できるようになりました」と Rose 氏は言います。
しかし、最近のショットは、ほとんどの核融合研究者が真の「利益」と考えるものにはまだほど遠い:レーザー エネルギーの流入よりも核融合エネルギーのほうが多い。 UV から X 線に変換され、燃料カプセルに集光されます。昨年のベスト ショットは、レーザー パルスのエネルギーの 1% 未満しか生成しませんでした。
NIFチームが今何をすべきかについて意見が分かれています。 McCrory 氏は、現在のアプローチが最終的に点火の成功につながるとは考えていないため、さらなる革新が必要です。 「彼らはどこまでも突き進んでいます」と彼は言います。 Rose 氏も同意見です。問題は、研究者が爆縮中の混合を制御するために最終的な圧力を調整したことです。ハリケーンは記者会見で、「はい、私たちはこの制御を得るために自分自身を制限しました」と述べた. 「出発点です。今度は別の方向に攻撃する必要があります。」
不確実性にもかかわらず、研究者はNIFでの新たな進歩に勇気づけられています. 「これらは行うべき正しい実験です」とキャンベルは言います。 「彼らがこれをどこまでやれるか誰にもわかりません」
*訂正、2 月 12 日午後 5 時 6 分: この項目は、Stephen Obenschain が海軍研究所のプラズマ物理部門のレーザー プラズマ部門の責任者であることを明確にするために修正されました。
