New approach in laser inertial fusion , fast ignition and magnetic confinement

星の力を利用するという探求は、太陽を動かしているプロセスである核融合を再現することを目指し、長らく物理学の中心的な目標となってきました。このプロセスでは、極度の圧力と熱の下で軽い原子が押し付けられ、より重い原子へと変化することで、膨大なエネルギーを放出します。科学者たちは研究室レベルでの核融合反応には成功していますが、その一瞬の電力の爆発を、私たちの送電網のための安定した信頼できる電力源へと変えることは、地球上で最も困難なエンジニアリング上の課題の一つであり続けています。主な障害は、小さな燃料ペレットを完璧に圧縮すること、そして、その結果生じるエネルギーを、それを保持する装置自体を破壊することなく捉えることです。従来のアプローチは、圧縮の対称性や、激しい放射線と熱の爆風に耐えなければならない原子炉の壁の耐久性の面で、しばつづく困難に直面しています。

新しい提案の中で、MerPhotonicsのユリ・チベル（Yuri Chivel）は、斬新なレーザー設計と根本的に異なる原子炉構造を組み合わせた、明確なアプローチを概説しています。核心となるアイデアは、現在使用されている複雑な多段階レーザーシステムを、単一の巨大な光学機器のように機能する、よりシンプルな球状の配置に置き換えることです。外部からレーザーを撃ち込むのではなく、レーザーコンポーネント自体が球体の殻を形成し、中心にあるターゲットに向かって均一な光の波が収束するような原子炉を構想しています。この手法は、成功のための重要な要件であり、歴史的に達成が困難であった、燃料ペレットの完全な対称圧縮を目指しています。

記述されている原子炉は直径4メートルの球体であり、数百の円盤状のレーザー素子で裏打ちされています。これらの素子は同心円状の層に配置され、大きな空洞を作り出します。動作の線形フェーズにおいて、光は大きな球体の中で往復し、中心に焦点を持つ特定のエネルギーパターンを構築します。革新的な点は、パルスがどのようにトリガーされるかにあります。エネルギーを放出するために複雑な電子シャッターを使用するのではなく、このシステムは燃料ペレット自体をスイッチとして使用します。重水素と三重水素の混合物を含む小さなペレットが高速で球体の中心に撃ち込まれると、それが大きな空洞を物理的に遮断します。これにより、光はレーザーディスクによって形成されたより小さな個別の空洞へと切り替わります。この急激な変化により、蓄積されたエネルギーが一斉に、ナノ秒単位の同期したバーストとして放出され、あらゆる方向からペレットを同時に襲い、凄まじい力で押し潰します。

ペレットが圧縮された後は、核融合反応を開始させるために点火する必要があります。論文は、圧縮フェーズと加熱フェーズを分離する「ファスト・イグニッション（高速点火）」戦略を提案しています。圧縮された燃料を加熱するために単一の巨大なレーザービームに頼るのではなく、この設計では6本から10本のより短い超高速レーザーパルスを使用します。これらのパルスは圧縮されたペレットの表面を叩き、強力な荷電粒子、具体的には重水素と三重水素のイオンビームを生成します。これらのイオンビームは、圧縮されたペレットを取り囲むプラズマコロナの中で直接励起された衝突レス・ショックを介して生成されます。その後、イオンビームはペレットの中心で衝突し、エネルギーを燃料に直接伝達して、核融合反応を引き起こすのに十分な温度まで上昇させます。イオンが圧縮されたペレットのプラスマコロナ内で直接生成されるため、この方法はエネルギー損失を抑え、よりコンパクトな点火システムを可能にするため、従来の試みよりも効率的であると提案されています。

標準的な設計からの最も重要な逸脱はおそらく、原子炉の内壁の扱いにおけるものです。ほとんどの核融合コンセプトでは、第一壁は金属や炭素で作られた固体障壁であり、反応からの熱と放射線を吸収し、最終的に損傷を受けて頻繁な交換を必要とします。チベルは、融合シリカガラスで作られた透明な第一壁を提案しています。このガラスは、核融合反応からの激しい中性子束やガンマ線を吸収することなく通過させるように設計されています。このガラス壁の後ろには厚い水の層が流れ、それが真の吸収体として機能します。中性子は水の中で減速し、エネルギーを熱として伝達し、その熱を利用して発電することができます。この設計は、固体壁を通常破壊してしまう直接的な熱衝撃や放射線損傷から構造用ガラスを保護すると同時に、水を効率的に捕捉します。

反応中に生成される高速イオンがガラス壁に衝突して損傷を与えないように、論文では光によって作られるユニークな磁気シールドを導入しています。2つの相互に垂直な光学増幅キャビティに2つの環状ビームを配置することで、システムはビームが交差する場所でレーザー磁気トラップを形成します。この交差部が、荷電粒子を壁から遠ざけ、原子炉の中心に閉じ込めるのに十分な強さの磁場を生成します。この「レーザー磁気閉じ込め」は、目に見えない障壁として機能し、核融合イベントの激しいプラズマから繊細なガラス構造を保護します。システム全体は、加熱された水を使用してタービンを駆動する低温度熱力学サイクルで作動するように設計されており、これは、他の核融合概念にしばしば関連付けられる極端な温度よりも、シンプルさと信頼性を優先するという選択です。

論文は、これらのアイデアが計算とシミュレーションによって裏付けられた、一貫した理論的枠組みとして提示されているとしています。著者は、球状レーザーアレイ、ペレット駆動型パルスメカニズム、および水冷却を備えた透明ガラス壁の組み合わせが、これまでの設計を悩ませてきた対称性と耐久性の問題を克服できる可能性を示唆しています。この提案は確立されたレーザー物理学とプラズマ力学の原理に基づいているものの、これらの要素を単一の簡素化された原子炉アーキテクチャへと統合する具体的な手法は、検証されるべき概念の段階にあります。この研究は、原子炉を建設したと主張するものではなく、むしろ、実用的な核融合エネルギーという長年の目標を達成するための、そのような機械をどのように構築すべきかについての詳細な設計図を提示しているのです。