国立点火施設のレーザー

昨年の記録破りの核融合エネルギー発射の再現に失敗した後、米国国立点火施設の科学者らは振り出しに戻った。エドウィン・カートリッジリッジ次のステップについて話し合う

昨年8月8日、米国のローレンス・リバモア国立研究所の物理学者たちは、世界最大のレーザーを使用して記録的な実験を実施した。 35億ドルをかけた国立点火施設（NIF）の192本のビームを利用して、重水素と三重水素が入ったコショウの実ほどの大きさのカプセルを爆破させ、2つの水素同位体を融合させ、ほんの一瞬の間、自立核融合反応を引き起こした。 このプロセスではレーザーの駆動に使用されるエネルギーの 70% 以上が放出されるため、今回の発見は、巨大レーザーが安全でクリーンで本質的に無限のエネルギーの新たな供給源を可能にする可能性があることを示唆しました。

この結果により、10年以上にわたって大きな進歩を遂げるのに苦労してきたリバモア研究所の研究者らは祝賀ムードに包まれた。 しかし、この成果を再現しようとするその後のいくつかの試みが失敗に終わり、せいぜい記録破りの生産量の半分しか集められなかったとき、最初の興奮はすぐに消えていきました。 リバモアの経営陣は少数の繰り返し実験のみを試みることを決定したため、研究室は損益分岐点の追求を保留し、代わりに出力の変動の原因を解明しようとしました。

NIFを批判する人々にとって、今回の軌道修正は驚くべきことではなく、この施設が堅牢な核融合エネルギー生産のためのテストベッドとして不適切であることを改めて明らかにしたようだ。 しかし、多くの科学者は依然として楽観的であり、NIFの研究者自身も戦いに出て、最近、記録破りのショットの結果をフィジカル・レビュー・レターズ(129 075001)に発表した。 彼らは、結局のところ「点火」に達し、核融合反応による加熱が冷却を上回る点に達し、プラズマ温度を急速に上昇させる正のフィードバックループを作り出したと主張している。

リバモアの核融合プログラムの主任科学者オマー・ハリケーン氏は、単純な「エネルギー損益分岐点」の説明ではなく、この物理学に基づいた点火の定義こそが本当に重要であると主張する。 最終的に損益分岐点を達成することを「次の広報活動」と表現しながらも、それは依然として彼と同僚が達成したい重要なマイルストーンであると彼は言う。 実際、リバモア研究所以外の物理学者たちは、大いに議論されている目標が達成されると確信している。 英国インペリアル・カレッジのスティーブン・ローズ氏は、損益分岐点は「あらゆる見通しで達成される」と信じている。

核融合を利用しようとする試みには、軽い原子核のプラズマを、それらの原子核が相互反発を克服して結合してより重い元素を形成する点まで加熱することが含まれます。 このプロセスでは、新しい粒子（重水素と三重水素の場合、ヘリウム原子核（アルファ粒子）と中性子）が生成されるだけでなく、膨大な量のエネルギーも生成されます。 プラズマを適切な膨大な温度と圧力に十分長く保つことができれば、アルファ粒子はそれ自体で反応を維持するのに十分な熱を提供する一方、中性子は潜在的に遮断されて蒸気タービンに動力を供給することができるはずです。

核融合トカマクは、磁場を使用してプラズマをかなり長期間にわたって閉じ込めます。 NIFは、「慣性閉じ込め」装置として、その代わりに、再膨張する前の少量の高度に圧縮された核融合燃料の内部に一瞬だけ生み出される極限状態を利用する。 燃料は直径2mmの球形のカプセルの中に入れられ、このカプセルは長さ約1cmの円筒形の金属「空洞」の中心に位置し、NIFの正確に照射されたレーザー光線が空洞の内側に当たると爆発し、燃料の洪水が発生する。 X線。

トカマクとは対照的に、NIF は主にエネルギーを実証するために設計されたものではなく、米国が 1992 年に実地実験を中止したことを考慮すると、核兵器の爆発をシミュレートするために使用されるコンピューター プログラムのチェックとして機能します。しかし、2009 年にスイッチがオンになるとすぐに作動しました。自身の運用を指導するために使用されたプログラムが、特にプラズマの不安定性に対処し、適切に対称的な爆縮を作成する際に、それに伴う困難を過小評価していたことが明らかになりました。 NIFが2012年までに点火を達成するという当初の目標を達成できなかったため、同研究所を監督する米国国家核安全保障局はその目標を脇に置き、爆縮のダイナミクスをより深く理解するという時間のかかる作業に集中した。

2021 年初頭、一連の実験的改良を経て、ハリケーンと同僚は最終的に、レーザーを使用して、アルファ粒子からの熱が外部エネルギー供給を超える、いわゆる燃焼プラズマを生成できることを示しました。 その後、空洞のレーザー入口穴を縮小したりレーザーのピーク出力を下げるなど、一連のさらなる調整を行った。 その効果は、X 線エネルギーの一部をショットの後半にシフトし、核燃料に伝達される出力を増加させ、放射損失と伝導損失を上回るほどの出力を高めました。

2021年8月、NIFの研究者らは画期的な「N210808」ショットを記録した。 この場合の燃料中心のホットスポットの温度は約1億2,500万ケルビン、エネルギー収量は1.37MJで、これは今年初めに得られた過去の最高の結果より約8倍高かった。 この新しい収量は、レーザーの出力 1.97 MJ と比較した場合の「ターゲット ゲイン」は 0.72、カプセルによって吸収されるエネルギーを考慮した場合の「カプセル ゲイン」は 5.8 を意味します。

さらに重要なことは、ハリケーンに関する限り、この実験は発火に関するローソン基準として知られる基準も満たしていたことです。 1955 年に技術者で物理学者のジョン・ローソンによって初めて策定されたこの規定は、核融合の自己発熱が伝導と放射によって失われるエネルギーを超える条件を規定しています。 ハリケーンは、NIFの結果は慣性閉じ込め核融合の基準の9つの異なる定式化を満たしており、それによって「曖昧さなく」点火が実証されたと述べている。

記録破りのショットの後、ハリケーンとNIFの同僚の科学者たちは、自分たちの成功を再現することに熱心でした。 しかし、研究室の経営陣はそれほど熱心ではありませんでした。 当時リバモアの基礎兵器物理学担当副部長だったマーク・ハーマン氏によると、N210808をきっかけに次のステップを評価するためにいくつかの作業グループが設立されたという。 同氏によると、慣性閉じ込めの専門家約10人からなる経営チームがこれらの調査結果をまとめて計画を作成し、9月に発表したという。

ハーマン氏は、計画には 3 つの部分が含まれていたと述べています。N210808 を再現する試みです。 記録破りのショットを可能にした実験条件を分析する。 そして「堅牢なメガジュール収量」を獲得しようとしています。 最初の点についての議論には、核融合計画に取り組んでいる約 100 人の科学者の間でハーマン氏が「多種多様な意見」と表現しているものが含まれていました。 最終的に、「限られたリソース」と N210808 を含むバッチ内の限られた数のターゲットを考慮して、経営陣は追加のショットを 3 つだけで決定したと彼は述べています。

ハリケーンの記憶は少し異なり、リピートは4回あったとのこと。 同氏によると、これらの実験は約3カ月かけて実施され、8月に達成した収量の5分の1未満から約半分の収量を達成したという。 しかし同氏は、これらのショットは依然として「非常に良い実験」だったと主張し、ローソン基準のいくつかの定式化も満たしていると付け加えた。 パフォーマンスの違いは「世間で言われているほど二値的なものではない」と彼は言う。

プラズマコーティングのプロセスはレシピなので、パンを焼くのと同じように、毎回まったく同じになるわけではありません。

この出力の大きな変動の原因について、ハーマン氏は、工業用ダイヤモンドから作られた燃料カプセル内の空隙とくぼみが有力な仮説であると述べています。 これらの欠陥は爆縮プロセス中に増幅され、ダイヤモンドがホットスポットに入る原因になる可能性があると彼は説明します。 炭素は重水素や三重水素よりも原子番号が大きいため、はるかに効率的に放射することができ、ホットスポットが冷却され、パフォーマンスが低下します。

ハリケーン氏も、ダイヤモンドがショットごとのパフォーマンスの変化に重要な役割を果たしている可能性が高いことに同意する。 同氏は、NIFの爆縮の非線形性を考慮すると、出力に大きな変動が予想されると指摘し、関与した科学者らはカプセル製造時に使用されるプラズマコーティングプロセスを完全に理解していないと述べた。 「これはレシピなので、パンを焼くのと同じように、毎回まったく同じになるわけではありません。」と彼は言います。

ハリケーンによると、チームは現在、カプセルの品質を向上させることに加えて、NIFの出力を上げるためのいくつかの方法を検討しているという。 これらには、カプセルの厚さを変更したり、空洞のサイズや形状を変更したり、場合によってはターゲットに必要な精度を下げるためにレーザー パルス エネルギーを約 2.1 MJ に増加したりすることが含まれます。 同氏は、目標利得に関しては「魔法の数字はない」と述べているが、利得が高ければ高いほど、備蓄管理を行う際に調査できるパラメータ空間が大きくなると付け加えた。 同氏はまた、レーザーがターゲット上の光に変換する入射電気エネルギーがどれほど少ないか（NIFの場合は1％未満）を考えると、ゲインが1であっても施設が正味エネルギーを生成していることを意味するわけではないと指摘している。

着火までの長い道のり

米国ロチェスター大学のマイケル・キャンベル氏は、空洞と目標が適切に改善されれば、NIFは「今後2～5年間で」少なくとも1の利益を達成できると考えている。 しかし、商業的に関連する50〜100の利益を得るには、おそらく、X線を生成してターゲットを圧縮するNIFの「間接駆動」から、潜在的により効率的だがトリッキーな「直接駆動」に依存する必要があると主張する。レーザー照射そのもの。

数十億ドルが必要となる可能性が高いにもかかわらず、キャンベル氏は、特に民間部門が関与する場合、適切な直接駆動施設が 2030 年代末までにそのような利益を実証できるだろうと楽観視している。 しかし同氏は、商用発電所はおそらく少なくとも今世紀半ばまでは稼働しないだろうと警告する。 「核融合エネルギーは長期的なものです。人々はこの課題について現実的になる必要があると思います。」と彼は言います。