レーザー核融合炉が「プラズマ燃焼」のマイルストーンに迫る
国立点火施設の標的室では、192本のレーザービームがコショウコーンの大きさの核融合燃料のペレットに焦点を当てている。
ローレンス-リバモア国立研究所
2010年には、建物の中で三つの米国の大きさ サッカー場、ローレンス-リバモア国立研究所の研究者は192のレーザービームをパワーアップし、スピード違反のトラックのパンチでパルスにエネルギーを集中させ、ペパーコーンの大きさの核燃料のペレットでそれを発射した。 そのため、National Ignition Facility（NIF）によるキャンペーンを開始し、名前が付けられている目標を達成しました：レーザーが入れるよりも多くのエネルギーを生成する核融合反応
10年後、3000発近くのショットで、NIFはまだbangよりも多くのフィズを発生させており、レーザーターゲットが気化して内破するときの複雑で理解されていない挙動に妨げられています。 しかし、新しいターゲットデザインとレーザーパルス形状、ミニチュア爆発を監視するためのより良いツールと一緒に、NIFの研究者は、彼らが”燃焼プラズマ”と
すべての燃料を燃焼させ、暴走するエネルギーを得るためには、自己発熱が鍵となる。 Nifが閾値に達すると、シミュレーションは点火へのより簡単な道を持つことを示唆している、とLivermoreの融合プログラムを監督するMark Herrmannは言う。 “私たちはできる限り懸命に推進しています”と彼は言います。 “あなたは私たちの理解の加速を感じることができます。”部外者も感動しています。 Imperial College Londonの慣性核融合研究センターの共同ディレクターであるSteven Rose氏は、「着実な進歩があり、当て推量が少ないと感じています」と述べています。 “彼らは伝統的に開催されたデザインから離れて移動し、新しいことをしようとしています。”
NIFは、しかし、時間の贅沢を持っていないかもしれません。 核弾頭の信頼性を検証するために核爆発をシミュレートする実験—点火努力に専念NIFショットの割合は、備蓄スチュワードシップのために多くのショットを 近年の大統領予算要求は、NIFなどでの慣性閉じ込め核融合の研究を繰り返し削減しようとしており、議会にそれを保存させるためだけにしています。 NIFの資金提供者、国家核安全保障局（NNSA）は、5年ぶりにマシンの進捗状況を見直しています。 核兵器を近代化する圧力の下で、代理店は備蓄管理へのさらなるシフトを決定することができます。 “点火プログラムは絞り出されるのだろうか？”2010年から2014年までリバモアの核融合エネルギーの取り組みを監督したマイク-ダンに尋ねます。 “陪審員は出ている。”
核融合は、容易に入手可能な水素同位体によって燃料を供給され、長寿命の放射性廃棄物を生成しない炭素フリーのエネルギー源として長い間保持されてきた。 しかし、2035年以降にエネルギーを得ることを目指すフランスのITERプロジェクトのような、ゆっくりと燃えるドーナツ型の磁気炉でさえ、遠い夢のままです。
NIFやその他の慣性核融合装置は、炉のようなものではなく、内燃機関のようなものであり、小さな燃料ペレットの急速な爆発によってエネルギーを生 いくつかの核融合レーザーは、ペレットでまっすぐに彼らのビームを目指しているのに対し、NIFのショットは間接的です: ビームは、ホーラウムと呼ばれる鉛筆消しゴムの大きさの金を加熱し、燃料カプセルを中心に数千万度に加熱し、それを数十億気圧に圧縮することによって核融合を点火することを意味するx線のパルスを放出する。
しかし、点火キャンペーンの最初の3年間のショットでは、それぞれ約1キロジュール（kJ）のエネルギーしか得られず、x線パルスによってカプセルに圧送された21kJの短さと、元のレーザーパルスの1.8メガジュール（MJ）の長さには及ばなかった。 最初のキャンペーンを指揮したジークフリート-グレンザーは、チームがイグニッションに到達することについて”過度に野心的”であったと述べている。 “私たちはシミュレーションに過度に依存していました”とSLAC国立加速器研究所のGlenzer氏は言います。
点火キャンペーンが失敗した後、NIFの研究者は診断装置を強化した。 彼らは、核融合反応が起こっていた場所の3Dビューを与えるために、より多くの中性子検出器を追加しました。 彼らはまた、ターゲットに近い細いワイヤを気化させるために、爆縮後の高出力、超短パルスモーメントを生成するために彼らのレーザービームの四つを適応させた。 ワイヤーは圧縮すると同時に燃料を調査することできるx線のflashbulbとして機能する。 「これはCATスキャンのようなものです」と、Nifを使用して木星などの巨大惑星の核での圧力を再現するカリフォルニア大学バークレー校の惑星科学者Raymond Jeanloz （NIFのショットの約10％は基礎科学に専念しています。)
彼らのより鋭いビジョンで、研究者は内破燃料ペレットからのエネルギー漏れを追跡しました。 一つは、小さなチューブがショットの前にカプセルに燃料を注入した時点で来ました。 漏れをプラグインするために、チームはチューブをさらに薄くしました。 他の漏れはカプセルのプラスチック製の殻にまでさかのぼるので、研究者は1メートルの100万分の1の欠陥を滑らかにするために製造を刷新しました。 改善された診断は、「科学者がどのような改善が必要かを理解するのに本当に役立ちます」と、ロチェスター大学レーザーエネルギー研究所のMingsheng Wei氏は述べています。
試験による火災
国立点火施設は、レーザーパルスとターゲットを変更することによって、核融合点火—入るよりも多くのエネルギーを得ることに閉 それは中間目的のために必要とされる温度および圧力にもっと近い:自己暖房の”非常に熱い血しょう。”
チームはまた、20ナノ秒のレーザーパルスの形状でプレーしています。 初期のショットは、あまりにも迅速に燃料を加熱し、それが困難に圧縮することを避けるために、ゆっくりとパワーでランプアッ その後、パルスはより積極的にランプアップし、プラスチックカプセルが圧縮中に燃料と混合する時間が短くなり、収量が幾分増加した戦術が行われた。
2017年に開始された現在のキャンペーンでは、研究者はホルラウムとカプセルを最大20％拡大し、カプセルが吸収できるx線エネルギーを増加させることに 圧力を上げるために、彼らはパルスの持続時間を延長し、より効率的に燃料を圧縮するためにプラスチックカプセルからより密度の高いダイヤモンドのものに切り替えています。
NIFは繰り返し60kJに近づく収率を達成しています。 しかし、Herrmannは、今月初めに米国物理学会のプラズマ物理学部門で議論された最近のショットは、それを超えていると言います。 繰り返しのショットは、約100kJの周りに発生すると予測されている燃焼プラズマにどれだけ近づいたかを測定するために計画されています。 “それはかなりエキサイティングです”と彼は言います。
最大圧縮であっても、NIFの研究者は燃料の中心だけが融合するのに十分なほど熱いと信じている。 しかし、有望な発見では、彼らはホットスポットが核融合反応によって作成された熱狂的に動くヘリウム核、またはアルファ粒子から加熱ブーストを得ているという証拠を参照してください。 NIFがもう少し多くのエネルギーを投入できるならば、それはそれが行くように燃料を燃やして、ホットスポットから競争する波をスパークさせるべきで
Herrmann氏は、チームにはまだ試してみるべきいくつかのトリックがあると言います—それぞれが温度と圧力を燃焼プラズマと点火を維持するのに十分 彼らはカプセルにエネルギーをよりよく集中させるために異なったhohlraumの形をテストしている。 彼らは、x線エネルギーをより効率的に捕捉して伝達することができる二重壁のカプセルを実験しています。 そして、カプセルの壁に氷として凍結するのではなく、カプセル内の泡に燃料を浸すことによって、彼らはより良い中央のホットスポットを形成することを望んでいます。
それは点火に達するのに十分でしょうか？ これらのステップが十分でなければ、レーザーエネルギーを後押しすることは次の選択です。 NIFの研究者は、ビームラインの四つのアップグレードをテストし、アップグレードがすべてのビームに適用された場合、3MJに近い完全な施設をもたらすだろう、エネル
これらのアップグレードは、もちろん、時間とお金がかかりますNIFは取得しないかもしれません。 NIFなどの核融合科学者は、nnsaレビューの結論を心配して待っています。 「どこまで行けるの？”と答えている。 “私は楽観主義者です。 可能な限りNIFをプッシュします。”