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2024-02-06 21:43:35
2022 年 12 月、ローレンス リバモア国立研究所 (LLNL) の研究者らは、核融合反応により、核融合反応を開始するのに必要なエネルギーよりも多くのエネルギーが生成されたことを明らかにし、核融合発電の夢が現実に近づきました。 新しい研究によると、瞬間的な融合の偉業には絶妙な振り付けと大規模な準備が必要であり、その難易度の高さは、誰もが実用的な動力源が手元にあることを敢えて期待するまでに長い道のりであることを明らかにしています。
この画期的な結果は、カリフォルニア研究所の国立点火施設 (NIF) で達成されました。この施設では、192 個の高出力レーザーのアレイを使用して、慣性閉じ込め核融合として知られるプロセスで重水素と三重水素燃料の小さなペレットを爆発させます。 これにより燃料が爆縮し、原子が砕け散り、太陽の中心よりも高い温度と圧力が発生します。 その後、原子が融合し、膨大なエネルギーが放出されます。
「実験室で核融合を利用することを根本的に制限するものは何もないことがわかりました。」 —アニー・クリッチャー、ローレンス・リバモア国立研究所
この施設は 2011 年から稼働しており、長い間、これらの反応によって生成されるエネルギー量は、燃料に送り込まれるレーザー エネルギーの量よりも大幅に少なかった。 しかし、2022年12月5日、NIFの研究者らは、核融合反応の開始に必要なエネルギーの1.5倍を生成することで、最終的に損益分岐点を達成したと発表した。
昨日発表された新しい論文 物理的なレビューレター チームの主張を確認し、それを可能にするために必要な複雑なエンジニアリングについて詳しく説明します。 この結果は今後の多大な研究を裏付けるものだが、実験計画を主導したLLNLの物理学者アニー・クリッチャー氏は、今回の実験は依然として核融合科学における大きなマイルストーンを示していると述べた。 「実験室で核融合を利用することを根本的に制限するものは何もないことがわかりました」と彼女は言います。
この実験は画期的なものとして特徴付けられていたが、実際には施設の設備とプロセスを骨の折れる段階的に改善した結果だったとクリッチャー氏は言う。 特に、チームは燃料ペレットと、それを収容する「ホルラウム」として知られる円筒形の金の容器のデザインを完成させるのに何年も費やした。
なぜ融合は難しいのでしょうか？
レーザーがこのカプセルの外側に当たると、そのエネルギーは X 線に変換され、燃料ペレットを爆発させます。燃料ペレットは、内側が重水素と三重水素燃料で覆われたダイヤモンドの外殻で構成されています。 クリッチャー氏によれば、空洞がペレット全体に均一に X 線を分散させるためには、空洞ができるだけ対称であることが重要です。 これにより、燃料がすべての面から均等に圧縮され、核融合に必要な温度と圧力に達することができます。 「そうしないと、基本的にプラズマが一方向に噴き出すことを想像することができ、プラズマを絞って十分に加熱することができません」と彼女は言います。
それ以来、チームはさらに6回の実験を実施し、そのうち2回は投入されたエネルギーとほぼ同じ量のエネルギーを生成し、4回はそれを大幅に上回った。
クリッチャー氏は、レーザー光が空洞から散乱して効率が低下し、レーザー光学系に損傷を与える可能性があるため、レーザー光線を慎重に調整することも重要であると述べています。 さらに、レーザーがカプセルに当たり始めるとすぐに、ビームを妨げるプラズマのプルームが放出され始めます。 「時間との勝負です」とクリッチャー氏は言う。 「私たちは、これが起こる前にレーザーパルスをそこに送り込もうとしているのです。そうするとレーザーエネルギーを希望の場所に届けることができなくなるからです。」
この施設では年間数ショットしか実行できず、チームの反復能力が制限されているため、設計プロセスは遅れています。 そして、実際に起こっている極端な物理学についての理解が乏しいため、これらの変化がどのように展開するかを事前に予測することは困難です。 「私たちは世界最大のレーザーで小さな標的を爆破しているのですが、そこら中に大量のゴミが飛び散っています」とクリッチャー氏は言う。 「そして私たちはそれを非常に正確なレベルに制御しようとしています。」
それにもかかわらず、以前の実験の結果を分析し、コンピューター モデリングを使用することで、チームは問題を解決することができました。 彼らは、燃料ペレットの周囲に厚いダイヤモンドシェルと組み合わせて、わずかに高出力のレーザーを使用することで、ペレット表面の不完全性による不安定化の影響を克服できることを発見しました。 さらに、これらの修飾は、融合反応が自立するのに十分な時間、融合反応を閉じ込めるのに役立つ可能性があることも発見した。 結果として得られた実験では、レーザーによって生成された 2.05 MJ を大幅に上回る 3.15 メガジュールが生成されました。
それ以来、チームはさらに 6 つの実験を実施しました。2 つは投入されたエネルギーとほぼ同じ量のエネルギーを生成し、4 つはそれを大幅に上回りました。 一貫して損益分岐点を達成することは重要な功績だとクリッチャー氏は言います。 しかし、生成されるエネルギー量の大きな変動には依然として研究者が対処する必要があると彼女は付け加えた。
しかし、この種の矛盾は驚くべきことではない、とバージニア州ウィリアム＆メアリー大学の物理学准教授サスキア・モルダイク氏は言う。 生成されるエネルギーの量は反応の自立性と強く関係しており、設定の非常に小さな変更によって影響を受ける可能性があると彼女は言います。 彼女はこの挑戦を月面着陸に例えています。私たちはそれを行う方法を知っていますが、それは非常に大きな技術的な挑戦であるため、着陸に成功するという保証はありません。
これに関連して、ロチェスター大学レーザーエネルギー研究所の研究者らは本日、ジャーナルで報告した。 自然物理学 彼らはNIFの100分の1のサイズの慣性閉じ込め核融合システムを開発したとのこと。 彼らの28キロジュールのレーザーシステムは、少なくとも中央プラズマに含まれるエネルギーよりも多くの核融合エネルギーを生み出すことができる、と研究チームは指摘した。これはNIFの成功に向かって進んでいるが、まだ遠い成果である。 彼らは、よりエネルギー的な反応に向けて開発したものを「スパークプラグ」と呼んでいます。
NIFとLLEが新たに報告した結果はどちらも開発の道筋に沿ったステップを表しているが、慣性閉じ込め核融合が単なる研究の好奇心を超えたものとなるには、どちらの場合もその道程は長く、困難なままである。
上記以外にも多くの障害が残っています。 現在の計算では、生成されるエネルギーとNIFレーザーの出力を比較していますが、レーザーが核融合反応で得られる出力の100倍を超える電力をグリッドから消費しているという事実は無視されます。 つまり、実際的な意味で損益分岐点を達成するには、エネルギー利得またはレーザー効率のいずれかを 2 桁改善する必要があるということです。 クリッチャー氏によると、NIFの燃料ペレットも非常に高価で、1個あたりの価格は推定10万ドルだという。 そうなると、適切な量の電力を生成するには、NIF のショットの頻度を大幅に増やす必要があり、次のナノ秒の長さのバーストを装填するのに数か月を必要とする原子炉にとっては、この偉業は目前に迫っています。
「それが最大の課題です」とモルディク氏は言う。 「しかし、それらを克服できれば、その時点ではそれほど難しいことではないと思います。」
更新: 2024 年 2 月 6 日午後 6 時 (東部標準時): この記事は、ロチェスター大学レーザーエネルギー研究所の新しい研究結果のニュースを含めて更新されました。
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