マヨネーズを渡す：調味料は核融合エネルギー収量の向上に役立つ可能性がある

慣性閉じ込め核融合は、核融合によってエネルギーを生成する方法の 1 つですが、さまざまな科学的課題に悩まされています (ただし、進歩は見られます)。リーハイ大学の研究者は、回転する 8 の字型の装置にマヨネーズを入れて実験を行うことで、このアプローチの特定の弱点を克服しようとしています。彼らは、核融合によるエネルギー収量の増加を視野に入れた最新の研究結果を、Physical Review E 誌に掲載された新しい論文で発表しました。

この研究は、機械工学者アリンダム・バナジーのリーハイ研究所でのこれまでの研究を基にしている。バナジーは、極めて高い加速度と遠心力に対する流体やその他の物質の反応の調査に注力している。今回の場合、彼のチームは弾性/塑性物質の「不安定性閾値」と呼ばれるものを探っていた。バナジーによると、科学者たちは、これが初期条件によって生じるのか、それとも「より局所的な破滅的プロセス」の結果なのかを議論してきた。この疑問は、地球物理学、天体物理学、爆発溶接、そして慣性閉じ込め核融合など、さまざまな分野に関連している。

慣性核融合は具体的にどのように機能するのでしょうか? 2016 年に Chris Lee が Ars で説明しました:

慣性閉じ込め核融合の背後にある考え方は単純です。2 つの原子を融合させるには、それらの原子核を互いに接触させる必要があります。両方の原子核は正に帯電しているため、互いに反発し合います。つまり、2 つの水素原子核を接触させるには力が必要です。水素爆弾では、小さな核分裂爆弾が爆発して水素の核を圧縮すると、力が発生します。これが融合してより重い元素が生成され、膨大な量のエネルギーが放出されます。

科学者はつまらない人間なので、核融合を研究したり、発電に利用したりするたびに核兵器を爆発させたくはありません。そこで慣性閉じ込め核融合に話を移します。慣性閉じ込め核融合では、水素核は重金属ケース内の球状の水素氷ペレットで構成されています。ケースは強力なレーザーで照射され、物質の大部分が燃え尽きます。気化した物質が外側に爆発する反作用により、残りの殻が破裂します。その結果生じる衝撃波が水素ペレットの核の中心を圧縮し、核融合が始まります。

もし閉じ込め核融合がそこで終わっていたら、放出されるエネルギーの量はごくわずかでしょう。しかし、中心部での最初の核融合燃焼によって放出されるエネルギーは、ペレットの外側の水素が必要な温度と圧力に達するのに十分な熱を生み出します。そのため、最終的には（少なくともコンピュータ モデルでは）、すべての水素が燃え尽きて消滅し、大量のエネルギーが放出されます。

とにかく、それがアイデアです。問題は、プラズマ状態では流体力学的不安定性が形成される傾向があることです。バネルジーはそれを「2つの物質 [that] 重力や加速場があると、粒子は「指のように互いに突き刺さる」ようになり、エネルギー収量が減少します。専門用語ではレイリー・テイラー不安定性と呼ばれ、密度の異なる 2 つの物質間で密度と圧力の勾配が反対方向に動くときに発生します。マヨネーズは非ニュートン流体であるため、高温高圧の実験室設備を必要とせず、加速固体のこの不安定性を調査するための優れた類似物であることがわかりました。

「マヨネーズを使用するのは、固体のように振る舞うが、圧力勾配を受けると流動し始めるからです」とバナジー氏は言う。「従来の溶融金属と同様に、マヨネーズに圧力をかけると変形し始めますが、圧力を取り除くと元の形状に戻ります。つまり、弾性段階の後に安定した塑性段階が続きます。次の段階で流動が始まり、そこで不安定性が始まります。」

マヨネーズをもっとください

彼のチームが2019年に実施した実験では、ヘルマンのリアルマヨネーズ（このチームではミラクルホイップは使用していない）をプレキシガラスの容器に注ぎ、マヨネーズに波のような乱れを生じさせた。ある実験では、容器を8の字型に回転するホイールの上に置き、高速カメラで材料を追跡し、画像処理アルゴリズムを使用して映像を分析した。その結果は、不安定性の閾値は初期条件、つまり振幅と波長に依存するという主張を裏付けた。

この最新の論文は、慣性閉じ込め核融合で使用される核融合カプセルの構造的完全性について、材料特性、振幅と波長条件、およびレイリー・テイラー不安定性閾値に達したときの材料の加速率を詳しく調べることで、さらに詳しく明らかにしています。科学者が弾性相から安定相への相転移についてより多く知れば知るほど、条件を制御して弾性相または塑性相のいずれかを維持し、不安定性を回避することができます。バナジーらは弾性相を維持するための条件を特定することができ、これは慣性閉じ込め核融合用の将来のペレットの設計に役立つ可能性があります。

とはいえ、マヨネーズ実験は類似物であり、核融合の現実世界の条件とは桁違いであることはバナジー氏も認めている。それでも彼は、将来の研究によって高温高圧環境のペレット内で何が起きるかの予測可能性が向上することを期待している。「私たちは研究者という巨大な車輪の中のもう 1 つの歯車です」と彼は言う。「そして、私たちは皆、慣性核融合をより安価に、したがって実現可能にするために取り組んでいます。」

DOI: Physical Review E, 2024. 10.1103/PhysRevE.109.055103 (DOIについて)。