「スタートレック」の巨大レーザーが核融合突破でテストされる

2022年12月26日

デビッド・R・ベイカー、ウィル・ウェイド、ブルームバーグ・ニュース

この画期的な進歩は、光線が 1 インチ移動するのにかかる時間にも満たない、信じられないほど短い時間で実現しました。そのわずかな瞬間に、エネルギー源としての核融合は遠い夢から現実へと移りました。世界は現在、歴史的な節目の意味合いに取り組んでいます。アーサー・パックと、この点に到達するまでに数十年を費やしてきた他の無数の科学者にとって、研究はまだ始まったばかりです。

ローレンス・リバモア国立研究所のパク氏と同僚は現在、同じことをもう一度やり直す、しかしより良く、より大きくするという困難な課題に直面している。

それは、SF ファンなら映画「スタートレック: イントゥダークネス」で宇宙船のワープコアのセットとして使用されたことでおなじみの、研究所の国立点火施設に設置されている世界最大のレーザーの使用法を完璧にすることを意味します。企業。 12月5日午前1時直後、レーザーは、水素が充填された小さなダイヤモンドカプセルが入ったシリンダーに向けて、慎重に変調された3つのパルスで192本のビームを発射し、最初の核融合反応を引き起こして、生成に必要なエネルギーよりも多くのエネルギーを生成した。それは成功し、いつか星を照らすのと同じエネルギー源を人間が利用できるようにする、新しい炭素フリーの電源になると科学者たちが期待しているものへの道が始まりました。

2010年にサンフランシスコ郊外のローレンス・リバモア研究室に加わったパク氏は、その日午前3時に起き、サンノゼの自宅で最初の結果をチェックせずにはいられなかった。彼は撮影の間ずっと起きていようとしたが、実験の骨の折れる準備が夜遅くまで続いたため、最終的には断念した。「10年間、毎回、毎回、ショットのたびに起きていたら、気が狂ってしまうだろう」と彼は語った。

過去数か月間、彼のチームが近づいているのは明らかで、夜明け前の暗闇の中で、彼はチームが成功したかどうかを示す重要な数値、つまり爆発によって生成された中性子の数を調べた。

「その数字を見たとき、私は衝撃を受けました」と彼は語った。

「キャリアを通して働いても、この瞬間が見えないこともある。目的地を信じていて、挑戦が好きだからやっているのだ」とこの実験の診断リーダーであるパク氏は語った。「人間が団結して共同作業をすれば、素晴らしいことができるのです。」

政府の資金提供を受けているローレンス・リバモアの研究チームは、おそらく2月に次回の実験を実施し、その後数カ月以内にさらにいくつかの実験を行う予定だ。目標は、反応で生成されるエネルギー量を増加し続けることです。つまり、より多くのレーザーエネルギーを使用することになります。レーザー照射を微調整します。同じ量のエネルギーを使用して、ターゲット内でより多くの X 線を生成します。これはプロセスの重要なステップです。おそらく最終的には施設自体をアップグレードすることになるでしょうが、その決定にはエネルギー省の賛同と巨額の資金が必要となります。

ローレンス・リバモア研究所のほんのナノ秒で終わる一口サイズの実験から始めて、そのすべてには数十年とは言わないまでも、数年かかるだろう。

「私たちは考え出す必要があります。もっとシンプルにできないか? このプロセスをより簡単に、より再現可能にできないか? 1 日に複数回実行できるようにできるか?」ローレンス・リバモア研究所所長のキム・ブディル氏は語った。「これらのそれぞれは、私たちにとって信じられないほどの科学的および工学的課題です。」

ほとんどの専門家は、核融合技術が商用電力を生産するのに十分な規模と手頃な規模で実用化されるまでには、少なくとも 20 ～ 30 年かかると予測しています。そのタイムラインでは、核融合は、2050年までに世界のネットゼロ排出目標を達成するために大幅に利用される範囲を超えている。その意味で、核融合は将来のカーボンフリーエネルギー源となる可能性があるが、現在直面している世界的なエネルギー転換の対象ではない。連続するハードル。

核融合は、何十年にもわたって科学の想像力を魅了してきました。それはすでに現代の核兵器に破壊的な力を与えるために使用されていますが、夢はそれを民間のエネルギー需要のために飼いならすことです。これが大規模化できれば、温室効果ガスを排出せずに昼夜を問わず豊富な電力を供給する発電所が実現するだろう。そして、核分裂と呼ばれるプロセスを通じて引き起こされる今日の原子力発電とは異なり、長寿命の放射性廃棄物は生成されません。何世代にもわたる科学者がそれを追求してきました。ジョー・バイデン大統領の首席科学顧問、アラティ・プラバーカール氏は1978年、ベルボトムを着た19歳の大学生として、ひと夏を研究室のレーザー核融合プログラムに取り組んでいた。

「これは、忍耐力が何を達成できるかを示す素晴らしい例です」と彼女は先週の記者会見で語った。「これが、本当に大きくて難しいことを成し遂げる方法なのです。」

レーザーショットの成功により核融合反応が起こり、レーザーによって与えられた2.05メガジュールを上回る3.15メガジュールの出力が発生しました。初めてレーザーから入るエネルギーよりも多くのエネルギーが出たとき、それは大きな閾値でした。しかし、商業的に実現可能となるためには、どれだけの利益が得られるかという方向に方程式をさらに傾ける必要があります。

今日の原子力発電所は原子を分裂させる核分裂を採用していますが、核融合は原子を結合させます。核融合研究者は 2 つの主要な軌跡をたどってきました。ローレンス・リバモアは、慣性閉じ込めと呼ばれるプロセスを使用して、レーザービームをターゲットに照射し、ヘリウムに融合するまで少量の水素を爆縮させます。このアプローチを使用する商用プラントは、電力網に電力を供給するのに十分なエネルギーを生成するために、このプロセスを何度も何度も非常に迅速に繰り返す必要があります。

多くの企業が慣性閉じ込めシステムを開発していますが、大きな違いがあります。ターゲットとして異なる材料を検討しているものもあれば、レーザーの代わりに粒子加速器を使用し、原子を衝突させることによって核融合反応を引き起こすものもあります。

競合する主なアイデアは磁気閉じ込めと呼ばれるもので、核融合反応を引き起こす可能性がある数億度まで過熱されたプラズマの雲を生成するシステムを備えている。強力な磁石がプラズマを制御し、反応を維持します。このアプローチはまだ正味エネルギーの増加を達成しておらず、より優れた磁石の開発や超高温に耐え、プラズマを収容する容器に使用できる材料の作成などの課題に直面しています。

核融合産業協会の業界団体によると、これまでに約50億ドルの資金が核融合企業に投じられており、その大半は磁気閉じ込め技術に向けられている。

カリフォルニア州オークランドに本拠を置く研究グループ、ブレークスルー研究所の核エネルギー革新ディレクター、アダム・スタイン氏は、核融合が機能することを証明するには慣性閉じ込めの方が適しているかもしれないと述べた。しかし、商業化に関して長期的には、「プラズマ磁気閉じ込めは成功する可能性が高い」と同氏は述べた。

ローレンス・リバモア研究所では、プロセスの各部分を改良するために何年も費やしました。

成功の多くは正確さによるものでした。燃料カプセルにはすべて、反応の進行に大きな違いをもたらす可能性のある微細な欠陥が含まれています。同位体の重水素と三重水素の混合物である内部の凍結水素も同様です。チームはしばしば水素の氷を生成し、それを溶かして戻し、射撃の前に数回再試行し、可能な限り最良の標的を獲得して成功の可能性を高めることを望んでいた。

核融合に取り組む誰もが「楽観主義者でなければならない」と、プログラムのコンピューターシミュレーションの予測能力の向上に重点を置いている物理学者で、ローレンス・リバモアで30年間働いているデニス・ヒンケル氏は言う。「そうでなかったら、フィールドに留まらないでしょう。」

国立点火施設のレーザーのチーフエンジニア、ジャン・ミッシェル・ディ・ニコラ氏によると、この夏までにこの巨大レーザーは今月の発射時よりも約8％多いエネルギーを供給できるようになるという。ターゲット製造プログラムマネージャーのマイケル・シュターダーマン氏は、同研究室では人間よりもはるかに早く燃料カプセルのシェルに欠陥がないか検査できるコンピュータープログラムも開発中だと語った。また、カプセルメーカーと協力して製造プロセスの改善にも取り組んでいます。

ローレンス・リバモアの躍進は科学史のほんの一瞬にとどまり、地球を動かす新たな核融合産業の始まりにはならない可能性がある。実験から商品化までのギャップを埋めるには、たとえ実現したとしても数十年かかる可能性があります。そして磁気閉じ込めは、最終的には核融合法に勝って、世界に豊富なクリーンエネルギーを提供する可能性がある。茶色の髪をなびかせ、機知に富んだ物腰柔らかな男、パク氏は、この結果は期待を裏切らないだろうと語った。

「彼らは私たちから学ぶことができるし、私たちも彼らから学ぶことができる」と40歳のパク氏は語った。「私が老人になったら、自分の貢献に本当に満足するでしょう。」

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