レーザー核融合点火:核融合のブレークスルーを視野に入れる

今月、米国国立点火施設（NIF）が商業的核融合の達成に向けて重要な進歩を達成したという発表でメディアは賑わった。 具体的には、純核融合エネルギー利得 (Q) が約 1.5 であることが測定された、つまり 2.05 MJ の入力に対して 3.15 MJ が生成されたという発表でした。

昨年の1.3MJの生産と比較してこのイベントで注目に値したのは、NIFのレーザーの最適化された発射ルーチンを実証し、重水素-三重水素(DT)燃料を含むホルラウムの標的化方法を変更した結果、より効果的な結果が得られたことである。圧縮。 このホルラウム内では、燃料を圧縮するために X 線が生成されます。 十分な圧力があれば、一般に原子核が互いに近づくのを妨げるクーロン障壁を克服することができ、それが核融合です。

予備的な結果に基づくと、DT 燃料の数パーセントが実際に核融合を起こしたと考えられます。 それでは次の質問です。これは本当に、商用核融合炉が豊富な電力を大量に生産できる状態に近づいていることを意味するのでしょうか?

永遠のジブのように、核融合は 100 年前の発見以来、常に 10 年先のことです。 悲しいことに、基礎物理学の研究開発に関する多くのコミュニケーションに欠けているのは、何が起こっているのか、そして報告された発見が何を意味するのかについてのより深い理解です。 私たちは基礎物理学を扱い、プラズマ物理学、高温超伝導磁石、さらには材料研究の刺激的な新分野に大胆に取り組んでいるので、私たちにできることは、確かな知識に基づいた推測を提供することだけです。

1950 年代の Z ピンチ核融合炉では、商用核融合炉の実現はほんの数年先にあると思われていました。 プラズマに高電流を流すだけで核融合を誘導し、エネルギーを回収すると、当時大々的に宣伝されていた核分裂炉が突然、すでに過去の遺物のように思えてきました。 当初、Z ピンチ核融合炉の高い Q 値が報告されたため、新聞は、英国が最初の核融合炉を建設し、世界の他の国々も追随するという絶対的な確信を持って見出しを飾りました。

後に、測定値が外れていたこと、想定される核融合利得が報告されているほど驚くべきものではなかったことが判明し、また、このタイプの原子炉におけるプラズマの不安定性がその使用を複雑にする深刻さについて誰も認識していなかったことが判明した。 ロシアのトカマク設計がプラズマの周囲に電磁場を追加するまで、これらのプラズマ力学に対処できるようになったように見えました。

当時、ステレーターの形で代替の解決策が存在していましたが、これらはプラズマ場を狭めるのではなく、プラズマ場に従うかなり複雑な形状を必要とします。 これは、コンピューター シミュレーション能力がそのような原子炉の必要な形式をモデル化するのに十分な能力を備えていた 1990 年代までは魅力的ではなかったということを意味します。 現在、ウェンデルシュタイン 7-X (W7-X) ステレーターは、このような原子炉の最大かつ最も興味深い実装であり、最近、連続運転を可能にする冷却ダイバーターを備えて完全に構成されました。

つまり、1950 年代以来、多くのことが起こり、多くの理論が試みられ、行き詰まったものもあれば、失敗したものもありました。 実用物理学と理論物理学、材料科学とさまざまな工学分野の間の不安定な境界線上で、人類は実用的な商用核融合炉の実現にますます近づいています。

ローレンス・リバモア国立研究所 (LLNL) の NIF は、レーザーベースの慣性閉じ込め核融合 (ICF) を使用しています。これは本質的に、DT 燃料が核融合を達成するために爆発する間、所定の位置に保持されることを意味します。 本質的には、これは他の核融合炉のコンセプトに比べてそれほど複雑ではなく、いずれも次の反応で DT 燃料を使用する傾向があります。

2 つの水素原子核の融合の一部として、大量のエネルギーが放出され、蒸気を生成して発電機を駆動するために回収できます。 その間、ヘリウム廃棄物を除去し、高速（高速）中性子を捕捉し、DT燃料を補充する必要があります。 これをトカマクやステレーターなどの磁気閉じ込め核融合 (MCF) 技術と比較すると、ICF が同じリーグにすら入らない理由が明らかになります。

トカマクとステレーターはどちらも基本的に連続使用反応炉として設計されており、重水素と三重水素の原子核が融合し、冷却されたダイバータを介して汚染物質が除去されるプラズマ流が常に維持されます。 中性子は原子炉容器の内側を覆うリチウムブランケットによって捕捉され、これにより三重水素が生成され、この短寿命の水素同位体が重水素とともに常に補充されるようになります。

最終的に、トカマクまたはステレーターは、Q が 15 を超えるという点で自己発熱することになります。これは、原子炉がプラズマの加熱に必要なエネルギーを供給しながら、発電機などを稼働させるのに十分なエネルギーを生成できることを意味します。 これは、そのような原子炉を本質的に自立させることになるが、NIFのようなICFシステムにはどれも当てはまらない。 特別な DT 燃料ペレットを製造し、各ペレットを点火室に挿入する必要があります。 このため、連続操作はかなり面倒になります。

正味エネルギー生産量の観点からも、NIF はあまり良くないようです。 たとえば、英国の JET トカマクは Q が約 0.65 (損益分岐点以下) に達していますが、NIF ショットの約 422 MJ の入力電力を考慮すると、生成される 3.15 MJ は実際にはわずかです。

冷戦時代、核融合研究の研究開発予算はかなり多額であり、少なくとも部分的には、もしかしたら向こう側がこの信じられないほどの新しい動力源を最初に手なずけるかもしれないという根強い恐怖によって可能になった。また、核融合研究で得られた魅力的な洞察にも助けられた。熱核兵器をどのように調整し、より最適に維持できるか。

冷戦が終わり、1990年代に入ると、核融合研究は研究開発予算が空洞化し、そのほとんどが金切り声で停止するほどになった。 最近では、核融合研究の成果は著しく向上しており、多くの国が MCF 研究プログラムを実施しています。 これらの大部分はトカマクであり、ウクライナのウラガン-2M やドイツのウェンデルシュタイン 7-X などのステレーターがそれに続きます。 残りはICFデバイスで、特にエネルギー生成ではなく核融合に関する基礎研究に使用されます。

これに関連して、NIF の 3.15 MJ を見れば、商業用核融合炉の時代が突然始まったわけではないこと、また、その直前にあることは明らかです。 しかし、それが意味するのは、この特定の ICF 施設が、限定的な核融合点火という注目すべきことを達成したということです。 これが商業用核融合炉にどれだけ近づくかについては、今後数年のうちに明らかになるはずだ。

疑問の余地のないのは、基礎研究に値札を付けることはほとんど意味がないということです。 このような研究と可能性の目標は、結局のところ、私たちの周囲の世界についての理解を深め、この理解の向上に基づいてすべての人の生活を楽にすることです。 これらの最近の NIF の発見に対する幅広い反応を考慮すると、核融合研究の基礎がどこまで一般の人々に伝わっているのかという疑問が生じます。