米国の科学者らは、自立した核融合エネルギーに向けた重要な一歩として、自己加熱プラズマの実証に成功した。
カリフォルニア州ローレンス・リバモア国立研究所の国立点火施設（NIF）の研究者らは、それぞれ100キロジュール以上のエネルギーを生み出した4つの実験を通じて、核融合からの熱が燃料加熱の主な源となる燃焼プラズマをどのように実現したかを説明した査読済み論文を発表した。
この成果は、核融合という約束の地に向けた重要な節目となるものですが、真の点火、つまり投入するエネルギーよりも多くのエネルギーを持続的な反応によって生み出すという段階への一歩に過ぎません。それでもなお、効率、規模、信頼性といった技術的な課題は、この先もなお、山積しています。
それでも、35億ドル規模の米国安全保障施設であるNIFの研究者たちは、これは大きな前進だと主張している。
彼らのアプローチは、他の研究で用いられている磁気閉じ込め核融合とは対照的に、レーザー核融合を利用する。この方法では、192個のレーザーを円筒形の容器、すなわち空洞に集束させる。この120mm×6mmの容器は、レーザーエネルギーをX線に変換し、その中心にある小さなプラズマカプセルを加熱する。カプセルは厚さ80μm（マイクロメートル）の高密度炭素（ダイヤモンド）壁で構成され、水素同位体である重水素と三重水素の混合物である核燃料を収容する。
カプセルの外表面が加熱されると膨張し、内部の燃料が爆縮して5000万ケルビンの温度に達します。この状態が核融合を引き起こします。核融合とは、2つの原子核が結合し、強い核力によってエネルギーを放出する現象です。実験では、この核融合によってアルファ粒子（2つの陽子と2つの中性子が結合した粒子）が生成され、これが燃料を加熱し続けます。
自己加熱プラズマ：左図では、レーザーが空洞円筒（ホールラウム）の内部を加熱しています。この円筒には、水素同位体である重水素と三重水素のプラズマを封じ込めた球状カプセルが収められています。右図は最適化された構成で、圧縮プラズマの対称性を高め、エネルギーを増加させています。図：Zylstra他
この結果は今週、科学誌「ネイチャー」に発表され、実験計画は「ネイチャー・フィジックス」に報告されています。ヨーク大学の物理学教授ナイジェル・ウールジー氏は、付随論文の中で、実験の精度と制御は「並外れたもの」だと述べています。
ウールジー氏はレジスター紙の取材に対し、「リバモアの研究は、レーザー核融合を実際に実証したという点で非常に重要だ。この分野、特に私のような研究者にとって、大きな自信となり、大きな熱意を掻き立てている」と述べた。
研究者たちは、設計を改良するための反復的なプロセスについて説明した。最新のブレークスルーは、燃料量の増加により中央のホットスポットの効率が向上するため、カプセルのサイズを大きくすることで達成された。
論文共著者のアレックス・ジルストラ氏はThe Reg紙に次のように語った。「カプセルを大きくする上で、システムの他のすべての側面を維持することが大きな課題の一つでした。カプセルを大きくしつつ、他のすべてはそのままにしておきたいのです。基本的に、すべてを正しく実現するのに数年かかりました。」
共著者のアニー・クリッチャー博士は、「少し規模を大きくしてみましたが、これらすべてを同時に最適化することはできませんでした。もう一つは、中心部のプラズマを少しでも保護するために、厚さや燃料の量を最適化することでした。しかし、すべての工程が影響を受けるため、何度もやり直して修正を重ねる必要がありました」と述べました。
初期の開発
これは自立的核融合の物理学においては大きな進歩だが、研究者らはそれが実用的な核融合炉にとってどのような意味を持つかについては明らかにしていない。
クリッチャー氏は次のように述べた。「私たちにとって、物理学上のマイルストーン達成に期限を設けることはより現実的です。なぜなら、それは私たちが研究施設である国立点火施設で行ってきたことだからです。電力網における核融合エネルギーには、レーザー、ターゲット開発、ターゲットコスト削減など、開発すべき点が数多くあります。私たちにとって、そのような技術開発に期限を設けることは非常に困難です。」
ヨーク大学のウールジー氏は、実験では標的カプセルに当たるエネルギーよりも多くのエネルギーが生成されたが、周囲のレーザーに送られるエネルギーを生成するには程遠いと説明した。
「彼らはプロセスが機能することを実証しましたが、他にも多くの非効率性があります」と彼は述べた。「彼らが使用したレーザーよりも効率の高いレーザーを開発する必要があります。彼らにそれができる余裕があるかどうかは分かりませんが、私たちにはそれを可能にする技術があると思います。結果は、このアプローチが有効であり、実現可能であることを示していますが、必ずしも現在の設備で実現できるとは限りません。」
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NIFの成果は、核融合をめぐる関心を高める他のプロジェクトに加わりました。他のプロジェクトには、MITの磁気閉じ込め実験、ノースカロライナ核融合、英国のSTEP（現在立地を検討中）、そして中国、欧州連合、インド、日本、ロシア、韓国、米国が資金提供・運営する国際熱核融合実験炉（ITE）などがあります。
既に多額の投資が行われていますが、実用的な原子炉を建設するにはさらに数十億ドルの資金が必要であり、実現にはまだ数十年かかる可能性があります。ウールジー氏は、COP26で即時の行動が求められていると結論付けられた気候危機の解決策となるほど早く実現する可能性は低いと述べました。®
