アルゴンフッ化物レーザー核融合研究について

NRLの科学者たちは、米国エネルギー省と協力して、フッ化アルゴン（ArF）昨年秋に王立協会の哲学的論文集に掲載されたレーザー核融合研究。

「直接駆動型アルゴンフッ化物レーザーを用いたサブメガジュールレーザーエネルギーによる高利得核融合」と題された科学論文は、エネルギー生産に必要な高利得慣性核融合爆縮を実現するための有望な技術として、ArF（アルゴンフッ化物）を挙げている。レーザー核融合は、核融合反応を開始するために必要な高密度と高温（摂氏1億度）を達成するために、小型カプセルを爆縮させるものである。

核融合エネルギーは、レーザーを駆動するために必要なエネルギーよりも利得がはるかに大きい場合、電源として利用できる。NRLのシミュレーションでは、ArFの深紫外光は、従来考えられていたよりもはるかに低いレーザーエネルギーで高い利得を達成できることが示されている。「ArFレーザーを用いることで、より小型で低コストの核融合発電所の開発と建設が可能になります」とオーベンシャイン氏は述べた。「これにより、数千年分の燃料原料が確保できるこの魅力的なエネルギー源の普及が加速されるでしょう。」

NRLの成果は特に重要である。なぜなら、ローレンス・リバモア国立研究所の国立点火施設（NIF）が8月8日に、爆縮を駆動するために使用されるレーザービームとほぼ同等の核融合エネルギーを生成するレーザー核融合実験を実施したと発表したからである。NIFの成果は1.3メガジュールの核融合エネルギーを生成し、これは1ポンドの高性能爆薬に相当し、レーザー核融合の基本的な科学的および技術的な実現可能性を実証した。

「NIFの実験結果は目覚ましいものであり、将来の進歩を加速させるレーザー技術に目を向ける必要性を改めて示しています。nRLのArFレーザー技術は、より高い核融合利得と収量への道筋を提供します」とオーベンシャイン氏は述べた。「これらの特性はNNSAの核燃料備蓄管理プログラムに必要であり、核融合発電には高利得が不可欠です。」

ナイキ・レーザーレンズアレイは、爆縮カプセルのごく一部を表す標的に44本のクリプトンフッ化物（KrF）レーザービームを集束させる。ミリメートルサイズの標的は中央のレンズで視認できる。KrFレーザーはArFレーザーに似ているが、波長がわずかに長い（248 nm）。ナイキ実験は、核融合爆縮に必要な高速まで標的を均一に加速させるという基礎物理学を前進させるものである。出典：海軍研究所

オベンシャイン氏は、高エネルギーArFレーザーが、商用発電所向けの核融合に必要な性能、エネルギー、繰り返し周波数、精度、そして数十億ドル規模の信頼性を実現するには、多額の投資が必要になると指摘している。

「これまでの研究で、ArF直接駆動慣性核融合エネルギーシステムがこれらの要件を満たすことを妨げる根本的な障壁は存在しないことが明らかになった」とオーベンシャイン氏は述べた。

彼はこう述べた。「これらの利点により、1メガジュール未満のレーザーエネルギーで動作する、小規模で安価な核融合発電所モジュールの開発が促進される可能性がある。これは、レーザー核融合エネルギーは高価すぎる、発電所は大きすぎるという従来の考え方を根本的に覆すだろう。」

「NRLは高エネルギーアルゴンフッ化物レーザー技術の開発において世界をリードしています」と、NRLのレーザー駆動ターゲット物理部門責任者であるマックス・カラシク博士は述べています。「さらに、レーザー核融合の物理的基礎を進歩させるための実験や、高利得ArFレーザーの爆縮に最適な構成を決定するためのコンピュータシミュレーションも実施しています。」

ArFレーザーの核融合エネルギーへの応用可能性は、米国エネルギー省の先端研究計画局（ARPA-E）が実施する「熱核融合エネルギー実現のためのブレークスルー（BETHE）」プログラムによって支持されています。このプログラムは、商業的に実現可能な核融合エネルギー源の迅速な開発を支援するものです。

プラズマ物理部門のレーザープラズマ研究室がこの研究を主導しており、高エネルギー利得爆縮に必要な性能を達成するために、アルゴンフッ化物レーザーを改良する3段階の計画を策定した。

第1段階では、NRLで現在進行中のArFに関する基礎科学技術研究を完了させる。第2段階では、実物大の高エネルギーArFレーザービームラインを構築し、試験を行う。第3段階では、そのようなビームライン20～30本からなる爆縮施設を構築し、防衛およびエネルギー用途に必要な高エネルギー利得（100以上）を実証する。