エネルギー省のレーザーの進歩が核融合に何を意味するか

1950年代以来、科学者たちは太陽を動かすような反応である核融合を地球にもたらすことを模索してきた。

12月5日午前1時過ぎ、カリフォルニア州ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の国立点火施設（NIF）の科学者たちは、ついに核融合の歴史における大きな節目に到達した。科学者が投入したエネルギーよりも多くのエネルギーを生み出す反応を達成したのだ。

現時点では、核融合発電所がすぐにあなたの街に実現するわけではありませんが、これは科学者たちが探求の初めから追い求めてきた目標に向けた重要な一歩です。

「これは基礎を築くものだ」と、LLNLの科学者タミー・マー氏は本日の米国エネルギー省の記者会見で述べた。「基本的な科学的実現可能性を実証している」

NIF は、サンフランシスコ東部の半乾燥地帯にある目立たない工業ビルの外観をしています。内部では、科学者たちが文字通り星のエネルギーをいじくり回しています (NIF のもう 1 つの主要任務である核兵器研究と交互に)。

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核融合は、太陽が地球を温め、照らし、生命を維持する熱と光を生み出す仕組みです。核融合では、水素原子を粉砕します。その結果生じる反応でヘリウムとエネルギーが生成されます。これはかなりのエネルギーです。私たちが今日生きているのは、この反応のおかげであり、太陽は、その過程で温室効果ガスを一滴も生成しません。

しかし、核融合を地球人のエネルギー源に似たものにするには、太陽の中心部と一致する条件、つまり数百万度の温度が必要です。地球上でその環境の模倣を作り出すには、研究者が通常作り出す量をはるかに上回る膨大な量の電力が必要です。

小さな標的を狙ったレーザー

数十年にわたって、科学者たちは一つの根本的な疑問に答えようと苦闘してきました。それは、核融合実験を微調整して、実際にエネルギーを得るための適切な条件を作り出すにはどうすればよいか、という疑問です。

NIF の答えは、高出力レーザー光線の兵器庫だ。まず、専門家はピーナッツ大の金メッキの開放型円筒（ホーラウムと呼ばれる）に、余分な中性子を伴う水素原子の形態である重水素と三重水素を含むコショウの実大のペレットを詰める。

次にレーザーを発射します。レーザーは 192 本の細かく調整されたビームに分割され、両端から空洞内に入って内壁に当たります。

「レーザーエネルギーを一度にすべて標的に当てるわけではありません」とNIFの科学者アニー・クリッチャー氏は記者会見で述べた。「望ましい条件を達成するために、特定の時間に特定のパワーを分割して照射します。」

レーザー照射によって容器が数百万度まで加熱されると、燃料ペレットを激しく襲うX線のカスケードが発生し始める。ペレットの炭素外殻が切り離され、内部の水素が圧縮され始める（数億度まで加熱される）。原子が押しつぶされて太陽の中心よりも高い圧力と密度になる。

すべてがうまくいけば、核融合が始まります。

新しい世界記録

2009年にNIFが発足した当時、核融合の世界記録は英国のジョイント・ヨーロピアン・トーラス（JET）が保持していた。1997年、JETの科学者たちはトカマクと呼ばれる磁石ベースの方法を用いて、投入したエネルギーの67パーセントを生み出した。

この記録は20年以上破られなかったが、2021年後半にNIFの科学者らがこれを上回り、70%に達した。その結果、多くのレーザー観測者らは当然の疑問を口にした。NIFは100%に到達できるのか？

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しかし、核融合は極めて繊細な科学として知られ、特定の核融合実験の結果を予測することは困難です。これほど高温の物体は、科学者の意に反して冷却しようとします。レーザー光線の角度からペレットの形状のわずかな欠陥まで、セットアップにおける小さな偶然の差異が、反応の結果に大きな違いをもたらす可能性があります。

そのため、約 10 億分の 1 秒かかる NIF テストには、何ヶ月にも及ぶ綿密な計画が必要になります。

「そのすべての作業は、先週月曜日の午前1時過ぎに私たちが実験を行った瞬間にまでつながりました。そして、データが得られ始めると、レーザー入力よりも多くの核融合エネルギーが生成されたという最初の兆候が見られました」と、NIFの科学者アレックス・ジルストラ氏は記者会見で述べた。

今回、NIF のレーザーはペレットに 2.05 メガジュールを注入し、ペレットは 3.15 メガジュールを放出しました (これは平均的なアメリカの家庭に約 43 分間電力を供給するのに十分な量です)。NIF の科学者たちは 100 パーセント点火というマイルストーンを達成しただけでなく、さらに進んで 150 パーセント以上に到達しました。

「正直に言うと、驚きはしていません」と、2030年代までに商業的に実現可能な核融合プラントの建設を目指しているカナダのバンクーバーに拠点を置く民間企業、ジェネラル・フュージョンのシステムエンジニア、マイク・ドナルドソン氏は言う。同氏はNIFの実験には関わっていない。「これは正しい軌道に乗っていると思います。これは本当に長年にわたる漸進的な進歩の集大成であり、素晴らしいことだと思います」

しかし、そこには落とし穴がある

これらの数字はレーザーによって供給されるエネルギーのみを表しており、地球上で最大かつ最も複雑なレーザーの 1 つであるこのレーザーを稼働させるには、カリフォルニアの電力網から約 300 メガジュールの電力を必要としたという事実は考慮されていません。

「レーザーは効率を上げるために設計されたのではない」と、LLNL の科学者マーク・ヘルマンは記者会見で述べた。「レーザーはできるだけ多くの電力を供給するために設計されたのだ」。エネルギーを大量に消費するレーザーのバランスを取るのは困難に思えるかもしれないが、研究者たちは楽観的だ。レーザーは 20 世紀後半の技術に基づいて構築されており、NIF のリーダーたちは、レーザーをより効率的かつさらに強力にする方法が確かにあると述べている。

たとえそれができたとしても、専門家はエネルギーを得るために連続的に弾を発射する方法を見つけ出す必要がある。これはまた大きな課題だが、この場所を発電所の拠点として実現可能にするための重要なステップとなる。

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「今日のような科学的成果は素晴らしい」とドナルドソン氏は言う。「核融合を商業化するために必要な他のすべての課題にも焦点を当てる必要がある。」

核融合発電所には、まったく異なる技術が使われる可能性がある。JET や南フランスで建設中の ITER などの多くの実験炉は、レーザーの代わりに、強力な磁石を使って特別に設計されたチャンバー内で超高温プラズマを形作り、形成することで太陽を再現しようとしている。最近急増している民間部門の核融合の取り組みのほとんども、磁気的手法に注力している。

いずれにせよ、安価な核融合エネルギーで駆動する装置に関するこのような記事を読むまでには長い時間がかかるだろうが、その日は重要な節目に近づいている可能性が高い。

「レーザーを使った点火が初めて夢に見られてから60年が経ちました」と、マー氏は記者会見で語った。「これは、これを実現した人々の忍耐と献身の証です。また、核融合エネルギーを送電網に導入する忍耐力があることも意味します。」