米政府の核物理学者たちは、レーザーで物質を圧縮することで、実験室で核融合反応が自立的に持続する状態である核融合点火に近づいていると述べている。
今月初め、ローレンス・リバモア国立研究所の国立点火施設（NIF）で、89ピコ秒（1兆分の89秒）で1.3メガジュール以上のエネルギーを生成することに成功したと伝えられています。放出されたエネルギーは15ペタワット、TNT火薬311グラムの爆発に相当し、大量の電池に相当する化学エネルギーです。
「9ボルトの電池は約15キロジュールのエネルギーを蓄えるので、そのエネルギー量は9ボルト電池80個分の化学エネルギーにほぼ相当します」とLLNL慣性閉じ込め核融合プログラムの主任科学者オマール・ハリケーン氏はThe Register紙に語り、1.3MJという数字を大まかに捉えている。
重要なのは、この数値が実験に投入されたエネルギーの約70%に相当し、実験では微量の核融合燃料を原子核融合まで押しつぶしてエネルギーを放出するというプロセスが行われた。科学者たちは、これは注目すべきマイルストーンだと述べている。なぜなら、核融合点火の閾値に到達したからだ。核融合点火は、核融合反応が自立的に機能する状態になる点だ。放出されたエネルギーは反応を継続させ、燃料が尽きるまで継続的にエネルギーを生み出す。これは、何億年もの間恒星内部で見られた現象と同じだ。人類はこのエネルギーを様々な目的に利用できる可能性がある。
「点火は核融合プロセスにおける転換点であり、核融合反応が自ら加熱され、起こり得るあらゆる冷却損失を圧倒する」とハリケーン氏は述べた。「これが起こると、加熱がさらなる核融合反応を生み、それがさらなる加熱を生み、それがさらなる核融合反応を生むというフィードバックプロセスが発生する」
実験では、192本のレーザー光線を容器に集中させてX線を発生させ、容器内の核融合燃料のペレットを圧縮し、人間の髪の毛ほどの直径のホットスポットからエネルギーを放出する核融合反応を引き起こした。
NIF実験において、空洞内に保持された核融合燃料カプセルの図解。カプセルに照射されたレーザー光はX線に変換され、ペレットを圧縮して核融合反応を開始します…出典：ローレンス・リバモア国立研究所の科学技術レビュー[PDF]
「レーザー光は燃料ペレットには一切触れません」とハリケーン社は述べた。「レーザー光は金属容器に当たり、そこでX線に変換されます。そして、そのX線が高密度炭素でできたペレットに当たるのです。」
ペレットの表面が爆発し、約2億気圧の圧力が発生し、ペレットは内側に押し込まれます。これが爆縮です。ペレット内の核融合燃料は最終的に数千億気圧の圧力まで押し上げられ、一瞬の間、太陽中心の圧力を超えます。その後の核融合反応は非常に激しく、放出される核融合エネルギーはペレットが吸収するエネルギーの約5倍を上回ります。
ペレット内の核融合燃料は最終的に数千億気圧の圧力まで加圧され、一瞬太陽の中心の圧力を超える。
これは核融合燃料の圧縮を研究し、ほぼ自立的な核融合反応を実現するための科学実験であり、原子力発電の実用化を目的としたものではないことを強調しておくべきだろう。レーザーを発射するために膨大な量の電力が消費されたのだ。
「私たちが引き込んだ電気がレーザーに伝わる際に莫大なエネルギー損失があり、次にレーザーからターゲットに伝わる際にもエネルギー損失があり、ターゲットからターゲット内に埋め込まれたカプセルに伝わる際にもエネルギー損失があり、カプセルに吸収されたエネルギーが内部の核融合燃料に伝達される際にもエネルギー損失がある」とハリケーン氏は述べた。
「肝心なのは、レーザーを充電するために使用した電力と比較すると、核融合燃料に供給されるエネルギーはごくわずかだということです。しかし、生成された核融合エネルギーはカプセルに吸収されたエネルギーの約5倍であり、標的に照射されたレーザーエネルギーの約70%を占めていました。これらが重要な点です。」
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この研究は核融合発電や恒星や宇宙の研究などの発展につながる可能性があるが、NIF の主要目的は熱核兵器の設計と保守を研究することである。
これらの複雑で小型化された装置はスーパーコンピューターを用いてシミュレーションできますが、その結果は検証する必要があり、今回のような実験を通して検証されます。アメリカは今後、熱核爆弾の実験を行わないと約束しましたが、備蓄の信頼性、安全性、そして最新性を維持することは依然として重要です。そのためには、兵器の材料や爆発時のプロセスを研究する必要があります。
NIFが使用する核融合燃料は、水素同位体である重水素と三重水素の混合物です。これらの同位体は、多段式熱核兵器の重要な構成要素です。簡単に言うと、弾頭を爆発させる際には、装置の一次段階で通常爆薬を用いて核燃料（通常はプルトニウム）の核を圧縮し、核分裂反応を開始させます。この反応では、X線などが放出されます。このX線は一次段階の爆風よりも速く進み、二次段階へと導かれます。二次段階では別の燃料（通常は重水素化リチウム）が圧縮されます。この二次段階では、最終的に重水素と三重水素の原子核が核融合反応を起こし、わずか一瞬で膨大な量のエネルギーが放出されます。
設計によっては、水素同位体を圧縮して核分裂段階を促進する段階も含まれる可能性がありますが、ここでは詳しく説明しません。つまり、実験室で放射圧を用いて核融合燃料を圧縮し、反応を起こすことは、兵器物理学の研究において非常に重要であることがわかります。このプロセスに関する詳細は、研究所のウェブサイトでご覧いただけます。
「NIFによるこれらの驚くべき成果は、米国の核安全保障局（NNSA）が核兵器とその生産の近代化に頼っている科学を前進させるとともに、新たな研究の道を開くものだ」とエネルギー省の核安全保障担当次官でNNSA長官のジル・フルビー氏は火曜日に語った。
LLNLの科学者たちは、この実験結果を査読付き論文として近日中に発表する予定です。それまでの間、彼らは研究結果を再現し、それが他の研究分野にどのように役立つか、あるいは影響を与えるかを解明することに注力します。®
