この先駆的な核融合研究所は、さらなる記録の更新を目指して準備を進めています

昨年の米国国立点火施設の核融合に関する画期的な進歩の次はこうなる

先月、米国国立点火施設（NIF）は12月以来初めてレーザーをフルパワーで発射し、核反応中に消費したエネルギーよりも多くのエネルギーを生成することで「点火」という数十年にわたる目標を達成した。 最新の実績はそれに匹敵するものではなかった。NIF は昨年末の生産高の 4% しか達成できなかった。 しかし科学者たちはそれを予想していませんでした。

NIF の成功に基づいて、彼らは現在、プログラムの実験的力を発揮し、核融合施設の能力をより深く理解しようと努めています。 ここで、Nature は、NIF が今後どうなるのか、そして NIF が地球にクリーン エネルギーを大量に供給する世界的な取り組みを推進するのかどうかを考察します。

カリフォルニア州のローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）に拠点を置くNIFは、ダイヤモンドのカプセルが入った小さな金のシリンダーに192個のレーザーを照射するスタジアムサイズの施設である。 カプセルの中には、水素同位体の重水素と三重水素の凍結ペレットが入っています。 レーザーは爆縮を引き起こし、極度の熱と圧力を発生させ、水素同位体をヘリウムに融合させ、追加のエネルギーを放出します。

この計画を機能させるための主な課題の 1 つは、ダイヤモンド カプセルの製造です。 細菌サイズのあばた、金属汚染、形状や厚さの変化など、最も小さな欠陥でさえも爆縮に影響を与え、したがって核融合反応を引き起こす圧力と熱に影響を与えます。

2021年と2022年の記録破りの実験では入手可能な最高のカプセルが使用されたが、3月に新しいバッチを待っている間、NIFの科学者らは片面がもう片面よりも厚いカプセルを使った実験を実施した。 モデリングでは、レーザーからのビームを調整することでこの欠陥を相殺して、より均一な爆縮を生成できることが示唆されました。 これは彼らの理論的予測のテストだったと、LLNL の研究所の慣性閉じ込め核融合科学プログラムを率いる物理学者のリチャード・タウンは言う。

結果は彼らの予測を下回っており、研究者らは現在その理由を解明しようと取り組んでいる。 しかし、この一連の調査が功を奏すれば、「我々が使用できるカプセルがさらに開かれ、爆縮についての我々の理解が深まるだろう」とタウン氏は言う。

科学者たちは12月、レーザーのエネルギーを高め、核融合反応を延長するのに役立つカプセルの厚さを増やすことに成功した。 キャンペーンの企画を主導する物理学者のアニー・クリッチャー氏によると、今年後半の実験も同様の戦略に従う予定だという。

長期的な目標は、核融合反応によって生成されるエネルギー量を、昨年生成された 3.15 メガジュールから数百メガジュールに増加させることです。 町は、とりわけ、ターゲットに送られるレーザーのエネルギーをさらに高めることによって、NIF のエネルギー収量を数十メガジュールに増加させる実行可能な道を考えています。 しかし同氏は、NIFは近いうちに大幅な安全性の向上が必要になるかもしれないと警告している。この施設は最大45メガジュールの核融合収量しか評価されていない。 その限界に近づく可能性のある実験を行う前に、研究室は戦略的な場所で、反応を封じ込める厚さ約2メートルのコンクリート壁を補強する必要がある。

NIF は決して発電所として設計されたものではありません。 その主な目的は、科学者が米国の核備蓄にある兵器が信頼性があり安全であることを、その核心部分の反応を再現して研究することによって検証できるよう支援することでした。 しかし、12月の点火は「エネルギー計画への扉を開く入り口の出来事だった」とメリーランド州ゲイサーズバーグの擁護団体フュージョン・パワー・アソシエイツの代表スティーブン・ディーン氏は言う。

この記録破りの実験では、金シリンダーに供給されるエネルギーよりも約 50% 多いエネルギーが生成されました。そして重要なことに、そのエネルギーのほぼ 13 倍が内側の燃料ペレットに集中しました。 ワシントン DC の海軍研究所の物理学者であるマックス カラシク氏にとって、これは、彼や他の人々が追求している将来の可能性のある道を強調するものです。それは、金のシリンダーを放棄し、燃料ペレットに直接レーザーの焦点を合わせるという、ダイレクト ドライブとして知られる実験的な設計です。

この構成では、「燃料ペレットの圧縮に利用できるエネルギーがはるかに多くなります」とカラシック氏は言います。

しかし、核融合エネルギーにとって今後の課題は困難を極めます。 12月の画期的な実験では、NIFのレーザーは322メガジュールのエネルギーを消費した。 ディーン氏によれば、一般に電力を供給するには、レーザー核融合プラントは入力エネルギーの100倍のエネルギーを生成する必要があり、そのレーザーは1秒間に約10回発射する必要があるという。 これは、毎日何十万ものターゲットにレーザーを正確に焦点を合わせて発射できるシステムを設計することを意味します。

研究所関係者らによると、NIFは現在の設計のままで、科学者が高出力レーザー核融合実験から学ぶことができる場所であり続けるという。 しかしその一方で、民間企業は代替ソリューションの導入をますます強化している。

昨年、ジョー・バイデン米国大統領の政権は、ホワイトハウスサミットで核融合エネルギーにおける官民パートナーシップのビジョンを打ち出した。 民間部門が新たな核融合技術の開拓で主導権を握る一方、NIFも参加する米国エネルギー省（DOE）は、材料科学、先端製造、モデリングなどのより広範な分野で知識を進歩させることになる。商品化。

DOEは今後18カ月にわたり、NASAとSpaceXなどの宇宙輸送企業との提携をモデルにしたマイルストーンベースのプログラムで、民間核融合企業に5,000万米ドルの補助金を支給することを検討している。 しかし、レーザー核融合企業は、他の核融合設計を追求する企業と競合することになる。 最も人気のあるものの 1 つはトカマクです。これは、ドーナツ型の「トーラス」内の核融合反応によって生成される燃焼プラズマを封じ込める磁場を生成する装置です。 これは、フランスのサン・ポール・レ・デュランスにある世界最大の核融合実験 ITER で使用されているアプローチです。

核融合エネルギーに関する古いジョークは、それは 50 年先の話であり、今後もずっとそうなるでしょう。 多くの科学者は現在、その方程式の最前線は20～30年近くかかると言っているが、実際には資金の問題にすぎないとローレンス・リバモア国立研究所の元科学者で、現在はオースティンのフォーカスト・エナジーで科学ディレクターを務めるプラベシュ・パテル氏は言う。 、テキサス州の民間レーザー核融合会社。

「科学者として、核融合エネルギーは避けられないと思います」と彼は言います。 「問題は、どれくらい早く機能させたいかということですが、それはリソースに依存します。」

この記事は許可を得て転載されており、2023 年 4 月 26 日に初めて公開されました。

ジェフ・トレフソンネイチャー誌で働いています。

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