National Ignition Facility のレーザー核融合マイルストーンが議論に火をつける

昨年 8 月 192 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って記録破りの実験を行いました。 3.5億ドルのXNUMXビームを採用 国立点火施設 (NIF) 重水素とトリチウムを含むコショウの実サイズのカプセルを爆破するために、彼らは 70 つの水素同位体を融合させ、ほんの一瞬の間、自己維持融合反応を生成しました。 このプロセスは、レーザーに電力を供給するために使用されるエネルギーの XNUMX% 以上を放出するため、この発見は、巨大なレーザーが、安全でクリーンな、本質的に無限のエネルギーの新しいソースを可能にする可能性があることを示唆しています。

この結果により、リバモア研究所の研究者は XNUMX 年以上にわたって大きな進歩を遂げるのに苦労してきましたが、祝賀ムードに包まれました。 しかし、最初の興奮は、達成を再現するためのその後のいくつかの試みが失敗したとき、すぐに薄れました。 リバモアの経営陣は、ほんの一握りの実験を繰り返すことを決定したため、ラボは損益分岐点の探求を保留にし、代わりに出力の変動の原因を突き止めようとしました.

NIF の批評家にとって、最新の軌道修正は驚くべきことではなく、明らかに、この施設が強力な核融合エネルギー生産のテスト ベッドとして不適切であることを示しています。 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を繰り広げており、最近、彼らの記録破りのショットの結果を発表しました。 Physical Review Lettersに (129 075001）. 彼らは、最終的に「点火」を達成し、核融合反応による加熱が冷却を上回るポイントに到達し、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成したと主張しています。

リバモアの核融合プログラムの主任科学者であるオマール・ハリケーンは、単純な「エネルギーの損益分岐点」の説明ではなく、この物理学に基づく着火の定義が本当に重要であると主張しています。 最終的な損益分岐点の達成を「次の広報イベント」と表現しながらも、彼と彼の同僚が達成したいと考えている重要なマイルストーンであると彼は言います。 実際、リバモア研究所以外の物理学者は、よく議論されている目標が達成されると確信しています。 スティーブン·ローズ 英国のインペリアル カレッジの教授は、「あらゆる見込みがある」損益分岐点が達成されると考えています。

レコードゲイン

核融合を利用しようとすると、軽い原子核のプラズマを、それらの原子核が相互の反発に打ち勝ち、結合してより重い元素を形成するポイントまで加熱する必要があります。 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、大量のエネルギーが生成されます。 プラズマを適切な温度と圧力に十分長く保つことができれば、アルファ粒子は反応を維持するのに十分な熱を提供し、中性子は傍受して蒸気タービンに電力を供給できる可能性があります。

核融合トカマクは、磁場を使用してプラズマをかなり長い期間閉じ込めます。 NIF は、「慣性閉じ込め」装置として、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で、つかの間の瞬間に作成された極端な条件を利用します。 燃料は、長さ約 2 cm の円筒形の金属製「ホールラウム」の中心にある直径 1 mm の球状のカプセル内に配置され、NIF の正確に向けられたレーザー ビームがホールラウムの内部に衝突し、大量の水を発生させると爆縮します。 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のではなく、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するように設計されました。独自の操作を導くために使用されたプログラムは、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、関連する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 1992 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、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よく理解するという時間のかかる作業に集中しました。

2021 年初頭、一連の実験的修正を経て、Hurricane とその同僚は、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燃焼プラズマとして知られるものを作成できることを示しました。 その後、ホールラウム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たりするなど、一連のさらなる調整を行いました。 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することでした。これにより、核燃料に伝達される出力が上昇し、放射と伝導の損失を上回るのに十分な高さに押し上げられました。

2021 年 210808 月、NIF の研究者はランドマーク「NXNUMX」ショットを記録しました。 この場合、燃料の中心にあるホットスポットの温度は約 125 億 1.37 万ケルビンで、エネルギー収量は 0.72 MJ でした。これは、今年初めに得られた以前の最高の結果の約 1.97 倍です。 この新しい収量は、レーザーの 5.8 MJ 出力と比較して XNUMX の「ターゲット ゲイン」と、代わりにカプセルによって吸収されるエネルギーを考慮すると XNUMX の「カプセル ゲイン」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、実験は着火のローソン基準として知られているものも満たしていたことです。 1955 年にエンジニアであり物理学者でもあるジョン・ローソンによって最初に提示されたこの法則は、核融合の自己加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 の結果が慣性閉じ込め核融合の基準の XNUMX つの異なる定式化を満たし、それによって「あいまいさなしに」点火を実証したと述べています。

XNUMX発打てばアウト

記録破りのショットの後、ハリケーンと NIF の彼の仲間の科学者の何人かは、彼ら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。 によると マーク・ハーマン、その後リバモアの基礎兵器物理学の副所長であったが、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ワーキンググループが設立されました. 彼は、慣性閉じ込めの約 10 人の専門家で構成される管理チームが、これらの調査結果をまとめて計画を作成し、XNUMX 月に発表したと述べています。

Herrmann 氏によると、この計画には 210808 つの部分が含まれていました。 記録破りのショットを可能にした実験条件の分析。 そして「堅牢なメガジュール収量」を得ようとしています。 最初の点についての議論には、核融合プログラムに取り組んでいる約 100 人の科学者の間で、Herrmann が「多種多様な意見」と表現するものが含まれていました。 最終的に、「リソースが限られている」ことと、N210808 を含むバッチ内のターゲットの数が限られていることを考えると、管理チームは追加のショットを XNUMX 発だけにすることに決めたと彼は言います。

ハリケーンは、XNUMX回の繰り返しがあったと言って、少し異なる記憶があります. 彼によると、これらの実験は約 XNUMX か月にわたって実施され、XNUMX 月に達成した収量の XNUMX 分の XNUMX 未満から約半分の収量を達成しました。 しかし、これらのショットは依然として「非常に優れた実験」であり、ローソン基準のいくつかの定式化も満たしていたと彼は主張しています。 パフォーマンスの違いは、「人々が描写してきたほど二元的ではない」と彼は言います。

プラズマコーティングの工程はレシピなので、パンを焼くのと同じように毎回同じ焼き上がりになるわけではありません

オマールハリケーン

この出力の大きな変動の原因について、Herrmann 氏は、有力な仮説は、工業用ダイヤモンドで作られた燃料カプセル内のボイドとディボットであると述べています。 彼は、これらの欠陥が爆縮プロセス中に増幅され、ダイヤモンドがホット スポットに入る可能性があると説明しています。 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るため、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。 

ハリケーンは、ダイヤモンドがショットごとのパフォーマンスを変化させる上で重要な役割を果たしている可能性が高いことに同意しています. NIF の爆縮の非線形性を考慮すると、出力の大きな変動が予想されることを指摘し、関係する科学者はカプセルの製造中に使用されるプラズマ コーティング プロセスを完全には理解していないと彼は言います。 「これはレシピです。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」

核融合エネルギーへの道

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 の生産量を上げるためのいくつかの方法を調査しています。 これらには、カプセルの厚さの変更、ホールラウムのサイズまたは形状の変更、また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 に増やすことが含まれます。 彼は、目標ゲインに関しては「魔法の数」はないと言いますが、ゲインが高いほど、備蓄管理を行うときに探索できるパラメーター空間が大きくなると付け加えています。 彼はまた、レーザーがターゲット上で光に変換する入力電気エネルギーがどれだけ少ないか (NIF の場合は 1% 未満) を考えると、ゲイン 1 は施設が正味エネルギーを生成していることを意味しないと指摘しています。

点火への長い道のり

ロチェスター大学のマイケル・キャンベル 米国では、ホールラウムと目標が適切に改善されれば、NIF は「今後 1 ～ 2 年間で」少なくとも 5 の向上を達成できると考えています。 しかし、彼は、50 ～ 100 の商業的に適切なゲインを達成するには、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、より効率的である可能性があるがよりトリッキーな X 線に依存する「直接駆動」に切り替える必要があると主張しています。レーザー光線そのもの。

数十億ドルが必要になる可能性が高いにもかかわらず、キャンベルは、適切なダイレクトドライブ施設が2030年代の終わりまでにそのような利益を実証できると楽観的です。特に、民間部門が関与する場合. しかし彼は、商用発電所はおそらく少なくとも今世紀半ばまで稼働しないだろうと警告している。 「核融合エネルギーは長期的なものです」と彼は言います。