2010 年 10 月、米国のフットボール競技場 3 つ分の大きさの建物で、ローレンス リバモア国立研究所の研究者は 192 のレーザー ビームを起動し、スピード違反のトラックのパンチでエネルギーをパルスに集束し、核のペレットに向けて発射しました。コショウの実の大きさの燃料。そこで、レーザーが投入するよりも多くのエネルギーを生成する核融合反応に点火するという目標を達成するために、国立点火施設 (NIF) によるキャンペーンを開始しました。
10 年と 3000 発近くのショットを経た今でも、NIF は、レーザー ターゲットが気化して内破するときの複雑であまり理解されていない動作によって妨げられ、爆発よりも多くのフィズを生成しています。しかし、新しいターゲット設計とレーザー パルス形状、および小型爆発を監視するためのより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。レーザーエネルギーの入力よりも。
自己発熱は、すべての燃料を燃焼させ、暴走エネルギーを獲得するための鍵です。リバモアの核融合プログラムを監督する Mark Herrmann は、NIF がしきい値に達すると、点火へのより簡単な経路があることをシミュレーションが示唆している. 「私たちはできる限りプッシュしています」と彼は言います。 「私たちの理解の加速を感じることができます。」部外者も感動。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・ローズは、次のように述べています。 「彼らは伝統的なデザインから離れ、新しいことに挑戦しています。」
しかし、NIFには時間の余裕がないかもしれません。点火作業に費やされる NIF ショットの割合は、2012 年の約 60% の高さから現在は 30% 未満に削減され、備蓄管理 (弾頭の信頼性を検証するのに役立つ核爆発をシミュレートする実験) のためにより多くのショットを確保しています。近年の大統領予算要求は、NIF や他の場所での慣性閉じ込め核融合の研究を削減することを繰り返し求めてきたが、議会にそれを維持させるだけだった。 NIF の資金提供者である国家核安全保障局 (NNSA) は、5 年ぶりにマシンの進捗状況を見直しています。核兵器の近代化への圧力の下で、機関は備蓄管理へのさらなるシフトを決定する可能性があります。 「点火プログラムは絞り出されますか？」 2010 年から 2014 年までリバモアの核融合エネルギーへの取り組みを指揮したマイク ダンは尋ねます。
核融合は、容易に入手できる水素の同位体を燃料とし、長寿命の放射性廃棄物を生成しない、炭素を含まないエネルギー源として長い間支持されてきました。しかし、2035 年以降にエネルギーの増加を達成すること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焼するドーナツ型の磁気炉でさえ、それは遠い夢のままです。
NIF やその他の慣性核融合装置は、炉のようなものではなく、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成する内燃機関のようなものになります。一部の核融合レーザーはビームを直接ペレットに向けますが、NIF のショットは間接的です。ビームはホールラウムと呼ばれる鉛筆の消しゴムのサイズの金の缶を加熱し、燃料カプセルを加熱して核融合に点火するための X 線のパルスを放出します。その中心で数千万度に達し、それを数十億の大気に圧縮します。
しかし、点火キャンペーンの最初の 3 年間のショットは、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 21 kJ に達せず、カプセル内の 1.8 メガジュール (MJ) にもはるかに及ばないものでした。オリジナルのレーザーパルス。最初のキャンペーンを率いたジークフリート・グレンツァーは、チームが点火に到達することについて「過度に野心的だった」と言います. 「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、現在 SLAC 国立加速器研究所にいる Glenzer 氏は言います。
点火キャンペーンが失敗した後、NIF の研究者は診断機器を強化しました。彼らはさらに中性子検出器を追加して、核融合反応が起こっている場所を 3D ビューで表示できるようにしました。彼らはまた、ターゲットの近くで細いワイヤーを気化させるために、爆縮後に高出力の超短パルスを生成するように 4 つのレーザービームを適合させました。ワイヤは X 線フラッシュバルブとして機能し、燃料が圧縮されるときにプローブすることができます。 「これは CAT スキャンのようなものです」と、カリフォルニア大学バークレー校の惑星科学者 Raymond Jeanloz は言います。彼は、NIF を使用して、木星などの巨大惑星の中心部の圧力を再現しています。 (NIF ショットの約 10% が基礎科学に当てられています。)
研究者たちは、より鋭い視覚で、内破する燃料ペレットからのエネルギー漏れを追跡しました。 1つは、ショットの前に小さなチューブがカプセルに燃料を注入した時点で発生しました.漏れを塞ぐために、チームはチューブをさらに薄くしました。他の漏れはカプセルのプラスチック製シェルにまでさかのぼることができたので、研究者はわずか 100 万分の 1 メートルの欠陥を滑らかにするために製造を改良しました。ロチェスター大学レーザー エネルギー研究所の Mingsheng Wei 氏は、改善された診断法は「科学者がどのような改善が必要かを理解するのに本当に役立ちます」と述べています。
裁判で発砲
チームは、20 ナノ秒のレーザー パルスの形状も試しました。初期のショットは、燃料が急速に加熱されて圧縮が難しくなるのを避けるために、ゆっくりとパワーを上げました。後のパルスはより積極的に増加するため、圧縮中にプラスチック カプセルが燃料と混合する時間が短くなり、収量がいくらか増加しました。
2017 年に開始された現在のキャンペーンでは、研究者は空洞とカプセルを最大 20% 拡大して温度を上げ、カプセルが吸収できる X 線エネルギーを増加させています。圧力を上げるために、パルスの持続時間を延長し、プラスチック カプセルからより密度の高いダイヤモンド カプセルに切り替えて、燃料をより効率的に圧縮しています。
NIF は 60 kJ に迫る収量を繰り返し達成しています。しかし、Herrmann は、今月初めに開催されたアメリカ物理学会のプラズマ物理部門の会議で議論された最近のショットは、それを上回っていると言います。 100kJ前後で発生すると予測されている燃焼プラズマにどれだけ近づいたかを測定するために、繰り返しショットが計画されています。 「とてもエキサイティングです」と彼は言います。
最大圧縮時でさえ、NIF の研究者は、燃料の中心だけが融合するのに十分なほど熱くなっていると考えています。しかし、心強い発見として、彼らは、核融合反応によって生成された熱狂的に移動するヘリウム原子核、つまりアルファ粒子から、ホット スポットが加熱されているという証拠を見つけました。 NIF がもう少し多くのエネルギーを送り込むことができれば、波が火花を散らし、ホット スポットから飛び出し、燃料を燃焼させます。
Herrmann 氏によると、チームにはまだ試行すべきいくつかのトリックがあり、それぞれのトリックで、プラズマの燃焼と点火を維持するのに十分なレベルまで温度と圧力を高めることができます。彼らは、カプセルにエネルギーをより集中させるために、さまざまなホールラウムの形状をテストしています。彼らは、X線エネルギーをより効率的に閉じ込めて伝達できる二重壁のカプセルを実験しています。そして、燃料をカプセルの壁に氷として凍らせるのではなく、カプセル内の泡に浸すことで、より良い中央のホットスポットを形成したいと考えています.
それは点火に到達するのに十分でしょうか？これらの手順で十分でない場合は、レーザー エネルギーを高めることが次のオプションになります。 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、アップグレードがすべてのビームに適用された場合、施設全体で 3 MJ 近くになるエネルギーブーストを得ることができました.
もちろん、これらのアップグレードには時間とお金がかかり、NIF が得られない可能性があります。 NIF などの核融合科学者は、NNSA のレビューの結論を心待ちにしています。 「どこまで行ける？」ヘルマンは尋ねます。 「私は楽観主義者です。できる限り NIF を推し進めます。」
