液体ターゲットが慣性核融合に新たなひねりをもたらす

Jul 29, 2023

昨年 12 月、ローレンス リバモア国立研究所の国立点火施設 (NIF) の科学者らが核融合炉で正味エネルギーの増加、つまり点火を達成したとき、シャンパンの栓を抜く音が実際に聞こえました。 NIFの発見は確かに「必要な第一歩」ではあったが、最終的に核融合が量産される可能性はまだ遠い。

したがって、別の形式の慣性核融合に向けて、小さいながらも必要な第一歩を祝う理由はさらに大きい。 ロチェスター大学レーザーエネルギー研究所（LLE）の研究者らは、慣性核融合エネルギーの安価なターゲットの作成に使用できる動的シェル（DS）形成と呼ばれる概念を実証した。

核融合反応では、2 つの軽い原子核が結合して重い原子核を形成し、大量のエネルギーを放出します。 これらの反応は、非常に高い温度 (摂氏 1 億度以上) と圧力の条件のプラズマ内で発生します。 また、正味の出力を得るのに十分な時間反応を維持するには、信頼性の高い閉じ込めも必要です。

国立点火施設の凍結燃料ターゲットは製造が難しく、それぞれの製造に数日を要します。 核融合プラントには 1 日に約 100 万個のターゲットが必要となるため、これは問題です。

NIF の広大で広く議論されている施設と同様に、ロチェスター グループの概念実証システムでは、レーザーを使用してターゲットを圧縮および加熱することによって反応が開始されます。 ターゲットは燃料が充填された小さなペレットで、通常は水素同位体の重水素（D）と三重水素（T）で構成される。 核融合力は、圧縮の結果として生じる極端な温度と密度によってターゲットが吹き飛ばされる前に、数秒のうちに生成されます。

DS法では、NIFで使用される従来の凍結水素燃料ターゲットの代わりに、研究者らは液体ターゲットを使用する。 これらは、液体 DT 燃料の液滴が注入される湿った発泡カプセルで構成されています。 次に、ターゲットにタイミングを合わせたレーザー パルスが照射され、最初に爆風が発生し、次にそれが膨張します。 爆風は続けて中心に空洞のある高密度の殻を形成し、最終的に殻は爆裂して核融合エネルギーを放出します。

「この技術が原理的に機能するかどうかは明らかではありませんでした」と、共同研究責任者のイゴール・イグメンシチェフ氏は言います。LLE の上級研究員です。さらなる研究を進めるには十分です。」 研究者らは、液体燃料とほぼ同じ密度の代替泡ターゲットを使用した。 次のステップはDT燃料を使った実験を行うことになると彼らは言うが、これはより複雑になるだろう。

従来、慣性閉じ込め核融合（ICF）で使用されてきた凍結DTペレットは製造が難しく、1つのターゲットを製造するのに数日かかる。 核融合プラントには 1 日に約 100 万個のターゲットが必要となるため、これは問題です。 ただし、DS 技術で説明されている液体ターゲットは、凍結ターゲットの複雑な極低温層化を必要としないため、はるかに安価で製造が容易です。

DS コンセプトのもう 1 つの利点は、より単純なターゲット (単なる液滴) から始められることです、と LLE の理論部門ディレクターでプロジェクトの共同リーダーであるヴァレリ ゴンチャロフ氏は言います。 同氏によれば、レーザーを使用すると、ターゲットは拡大され、NIF システムよりも滑らかなターゲット表面を備えたシェルの形に成形されます。 「物理学の観点からは、発電所に正しく点火できるターゲットを製造することを妨げるものは何もないことがわかっています」と彼は言う。 「私たちに必要なのは、ターゲットを効率的に圧縮することです。」

DS 形成技術の欠点は、今日のレーザー技術を使用して生成するのが難しい、持続時間の長いレーザー パルスを必要とすることです。 DS の形成により、レーザーとプラズマの相互作用も生成されます。 ゴンチャロフ氏によれば、「これが ICF における現在の最大の問題です。エネルギーを散乱させるプラズマ波を除去することです。」 これはLLEで取り組んでいることだ、と彼は付け加えた。