慣性閉じ込め方式核融合炉
慣性閉じ込め方式の概要
アメリカの「NIF（国立点火施設）」（Credit:LLNL）
慣性閉じ込め核融合では高エネルギーのレーザーや重イオンのエネルギーを用いて核融合反応を引き起こそうとするものです。磁場閉じ込め核融合では磁場によって閉じ込められた高温のプラズマ内部で核融合反応を起こさせるのに対し、慣性閉じ込め核融合では核融合燃料を外部からのエネルギーで一気に核融合燃料を瞬間的に加熱し、爆発的に圧縮（爆縮）させることで高温・高圧の状態を作り出し核融合反応を起こさせます。
これは1960年代にレーザーが発明された頃から研究されており、レーザーの大出力化が進むと共に進歩を遂げてきました。近年では点火条件の達成にも成功しています。慣性核融合の燃料は重水素とトリチウムを混合し、極低温で液化させたものを球形のペレットと呼ばれる小さな容器に封入して利用します。
これを瞬間最大出力が1テラワット（1000ギガワット）から1ペタワット（1000テラワット）に至る非常に強力なレーザーや、高エネルギーの重イオンなどを生み出す「エネルギードライバー」によって極めて精密なタイミングで周囲から一気に照射します。これにより一瞬にして極めて高温・高圧な環境をペレット周囲に作り出し、一気に爆縮させる事で核融合反応に必要なローソン条件を達成させるというものです。
慣性核融合を発電に用いるためにはエネルギードライバーの効率を高め、連続的にエネルギーを取り出すために短時間での高い繰り返し能力が必要とされています。また、アメリカやフランスなどでは熱核兵器（水素爆弾）に関する研究のための研究が慣性核融合を利用して行われています。慣性核融合で実現される高エネルギーの環境は熱核兵器が炸裂する瞬間の状態を再現できるため、その瞬間に生じるプラズマやガンマ線などの状態を検証できます。これによって得られたデータは現在までの核実験のデータと共に熱核兵器の安全な維持管理に利用されています。ちなみにこうした軍事研究の場合は発電で求められるような短時間での高い繰り返し能力は特に必要とされないのが特徴です。
慣性閉じ込めにおける「直接照射」と「間接照射」
慣性核融合において、レーザーなどを核融合燃料に照射する場合は「直接照射」と「間接照射」の2種類の方法があります。直接照射は文字通りレーザーを燃料にそのまま直接に照射する方法です。間接照射方式よりも効率が良く、レーザーのエネルギーをより多く燃料に対して照射できるのが特徴です。しかしレーザーのエネルギーは場所によってムラが生じやすく、燃料を均一に爆縮しづらいという問題があります。爆縮にムラがあると、「レイリー・テイラー不安定性（Rayleigh-Taylor Instability）」と呼ばれる現象が生じます。これは爆縮が進行すると共に燃料の形が大きく歪み、正確な爆縮ができなくなって核融合反応が不十分に終わってしまうという現象です。
このレイリー・テイラー不安定性が引き起こされる原因の一つであるレーザーの照射均一性の問題は近年様々な方法で改善が行われており、直接照射方式でも十分な核融合反応が起こせるようになりつつあります。
直接照射方式
直接照射方式は「中心点火方式」と「高速点火方式」の2つに分けられます。中心点火方式では爆縮によって核融合燃料の中心部分のスパーク部と呼ばれるところで高温高圧のプラズマを生み出し、核融合反応を引き起こしています。対して高速点火方式では爆縮用のレーザーである程度まで核融合燃料を爆縮した直後に、円錐形のガイドコーンを用いるなどして点火用の強力なレーザーを別個に照射します。点火用のレーザーはガイドコーンの円錐部分の頂点部分で相互作用を引き起こして高速電子を発生させます。これにより核融合燃料を追加熱して核融合に必要な温度と圧力を達成させるというものです。中心点火方式ではスパーク部を形成する必要があるのに対し、高速点火方式ではレーザーを爆縮と点火を分けて二段構えにすることで、爆縮時のレーザーに高いエネルギーを必要としません。そのためレイリー・テイラー不安定性が生じづらいという特徴もあります。
間接照射方式
ホーラムと呼ばれる円筒の周囲にレーザーを
照射し、放出されるX線を利用する。（Credit:CEA）
一方間接照射方式では重金属で作られた「ホーラム（hohlraum）」と呼ばれる円筒形の空洞にレーザーを照射します。するとホーラム内壁の黒体放射により均一な波長を持つX線が生成されます。これによりホーラム内部は均一なエネルギーのX線に満たされる事になります。そしてホーラムの中心部分に配置された核融合燃料のカプセルにこのX線が照射されると、表面部分で起きる瞬間的な「アブレーション（Ablation）」と呼ばれる蒸発現象が起きて核融合燃料が圧縮されます。これはロケット効果とも呼ばれ、まるでロケットが宇宙に飛び立つ時のように、核融合燃料の表面が外側に向かって蒸発する推進力で、内側に向かって爆縮されるエネルギーが生まれるのです。直接照射方式よりも効率は落ちるものの、レイリー・テイラー不安定性を抑えやすく、均一で正確な爆縮ができるのが特徴です。
間接照射方式で用いられるホーラム材料
間接照射方式で用いられるホーラムの材料としては黒体放射によってX線を生じさせやすく、またそのX線を閉じ込めやすい重金属が用いられています。主に金（Au）が用いられているほか、近年はウラン（U)も研究に利用されています。ウランは金よりも重い元素であるため、X線を閉じ込める能力に優れており、より高いエネルギーで核融合燃料を爆縮できるという特徴があります。またウランは原子力発電所で用いられる低濃縮ウランを生産した残りである劣化ウランが安く利用できるため、金を用いる場合と比較してホーラムの価格を安くできるというメリットもあります。
アメリカのレーザー慣性核融合実験施設「NIF」で行われたウラン・ホーラムの実験では7マイクロメートルの厚さの劣化ウランを0.7マイクロメートルと22.3マイクロメートルの金でサンドイッチ構造にしたホーラムが利用されました。ウランが金でサンドイッチされている理由としては、ウランを酸化から保護し、さらに金のみでつくられた通常のホーラムと同じ特性を爆縮の瞬間まで維持するためです。
レーザー核融合炉
強力なレーザー光を用いて核融合燃料を圧縮し、核融合を引き起こす方式です。主にネオジムドープ・ガラスレーザーが用いられています。レーザーとは光を増幅することで波長の揃った光を生み出す技術です。光が拡散しにくく指向性が高いという特徴があります。市販されているレーザーポインターでも分かるように一点に光を集中させることができます。
レーザーを用いた慣性閉込め核融合では、核融合燃料に対して周囲から一気にレーザーを照射することで爆縮を行い、核融合反応の条件を達成させます。
レーザーとはLASER、Light Amplification by Stimulated Emission of Radiationの頭文字を取って略称としたものであり、輻射誘導放出による光増幅という意味です。これは光を増幅することで波長のそろった光を人工的に作り出すことができます。レーザーを作り出すにはキャビティと呼ばれる光発振器が必要となります。この中にレーザーを生み出すためのレーザー媒質と、そのレーザー媒質を高いエネルギー状態にするためのポンピング装置があり、さらに光発振器の前後に鏡が設置されています。
あらゆる物質は光が当たると「吸収（Absorption）」「自然放出」「誘導放出」の3つの現象が起こります。「吸光」は物質が光を吸収する現象であり、これによって物質はエネルギーを得た「励起状態」となります。励起状態となった物質はすぐにその光を放出して元の「基底状態」に戻ろうとするため「自然放出」という現象が生じます。例えば元の状態である基底状態をE0とすると、まず吸光によってエネルギー状態の高いE1という状態に励起されます。そして少し時間を経てE0へと戻る時にE0からE1の間のエネルギーの差と同じエネルギーの光を自然放出するのです。
そしてもう一つが「誘導放出」です。誘導放出では、例えばある電子がエネルギーの高いE1という準位（エネルギーを持った状態の位置）の励起状態にあった時、別の電子がE1からE0へ自然放出された光の入射によって、それと全く同じ位相と進行方向の光が放出される現象です。1個の光子によって、エネルギーも位相も進行方向も揃った光子がもう1個飛び出すというわけです。レーザーではこの誘導放出を利用することで単色かつ非常に直進性の高いコヒーレントな光を作りだしているのです。
このように媒質は外部からの強力な光によって刺激される「ポンピング」を行う事で「反転分布」状態を作り出します。反転分布状態とはレーザーを作り出すのに必要なエネルギーの差を作り出すために高いエネルギーの準位に励起された電子のほうが、低いエネルギーの電子の数を上回る状態を指します。この状態であれば吸収される光よりも誘導放出される光の方が多くなるため、連鎖的に光が放出されることになってレーザーを発振できるというものです。
反転分布状態を作り出すときには、レーザーを発振させたいエネルギー差よりも高いエネルギーを与えることになります。高いエネルギーであるほど、そのエネルギーを維持する時間が短くなるため、例えばE1からE0へのエネルギー差を必要とする時には、一度高いエネルギーのE2やE3という状態に放り上げておきます。そして少し時間が経ってそのエネルギーが落ち着いてくると、あるタイミングでほとんどの電子のエネルギーがE1の状態で存在することになります。これにより反転分布状態が形成され、レーザーが生み出されるのです。そして光共振器の前後に設置された鏡で光が反射して内部を往復することで誘導放出される光を増やし、外部へと出力されます。
レーザーには様々な種類があり、CDやDVDといった光メディアに用いられる半導体レーザーや、工業用の機械加工に用いられる二酸化炭素を用いた気体レーザー、ルビーやガラスを利用した固体レーザーなど様々なものが存在しています。
中でもガラスレーザーが大出力を実現しやすいことからこれまでにも多くの核融合実験装置に用いられています。レーザーを用いた慣性核融合で重要になるのが、できるだけ短い時間で、できるだけ高い出力のレーザーをできるだけ短い時間で核融合燃料の標的に照射する技術です。照射する時間が短いほうが良いのは、それだけ短い間にレーザーのエネルギーの集中させたほうが爆縮の効率が良く、またレイリー・テイラー不安定性の影響を受けづらく均質に爆縮ができるためです。そのため「Qスイッチ法」や「モードロック法」と呼ばれる方法により、短時間に大きなエネルギーを放出できるレーザーを実現しています。
Qスイッチ法では光共振器の品質（Quality）を表す「Q値」を可変にすることで、レーザー媒質が十分にポンピングされた状態になるまでレーザーが発振しないように損失を大きくして抑えこんでおき、十分にポンピングが進んで励起状態の原子が多くなった時点でQ値を上げて損失を小さくすると反転分布状態から一気に大量の光が放出されます。Q値を制御するには共振器の前後の鏡を並行から少しずらしたり、途中にシャッターを入れておいて共振器内で光が往復しないようにする方法が挙げられます。ダムのように光をせき止めておき、一定以上の出力になった時点で一気に開放するようなイメージです。モードロック法では光共振器内の様々な波長の光の位相を揃え、それぞれの波形の山が揃うタイミングでレーザーを発振するというものです。これらの技術により、短い時間に大きなエネルギーを集中させるパルスレーザーを実現しています。
Zピンチ核融合炉
Zピンチ方式はプラズマの自己収縮現象を利用したものです。これはフレミングの左手の法則でも表される、磁場と電場に対して働く力、ローレンツ力によってプラズマが自ら圧縮されるという現象です。人間の髪の毛の10分の1程度の非常に細いタングステン・ワイヤーに大電流を流すことでタングステンがプラズマとなり、自己収縮しながらその高エネルギーによりX線が放出されるのです。このX線を用いてレーザー核融合と同様に核融合燃料を爆縮させ、核融合点火を引き起こすというものです。
タングステンワイヤの自己収縮はスタグネーションとも呼ばれ、この時の温度は摂氏20億度にまで達すると言われています。Zピンチ方式の発想は古く、1950年代から研究が行われていました。初期の実験では金属箔に大電流を流してZピンチプラズマを生成する方法がとられていました。90年代に入るとロシアのZピンチ実験装置「アンガラV」において、非常に細いタングステンのワイヤーを円柱状に配置したワイヤーアレイを用いた高度な爆縮実験に成功しています。
そのタングステンワイヤーアレイを用いた実験ではアメリカのZピンチ実験装置「サターン」でもロシアの共同研究という形で行われ、その成果をもとにイオンビーム核融合実験装置であった「PBFA-II」をZピンチ実験装置に改造した「PBFA-Z」でも実験が行われました。こうしてZピンチによる爆縮実験に成功したサンディア国立研究所はそれまで研究していたイオンビーム核融合研究を中止、「PBFA-Z」は「Zマシン」へと進化を遂げました。
ZピンチにおけるX線の出力は爆縮時のレイリー・テイラー不安定性によって限界があります。そのためワイヤーアレイの中にもう一組、一回り小さいワイヤーアレイを設置して二重構造にしたネステッドワイヤーアレイとすることでレイリー・テイラー不安定性を抑え、X線の出力を約40パーセント向上させることに成功しています。
Zピンチをエネルギードライバーとする慣性核融合を引き起こすには非常に強力なパルス電源が必要になります。パルス電源とは一瞬の間に莫大な電力を供給するためのシステムです。できるだけ大きな電力を、できるだけ短い時間で出力させる事が必要です。時間が短ければ短いほど、核融合燃料を爆縮する際のレイリー・テイラー不安定性を抑えられるためです。200メガジュールから1000メガジュールの核融合出力を得るためには数十ナノ秒の間に約40メガアンペアという電力を発生させる必要があります。必要なX線出力が10メガジュールで、その変換効率が約15パーセントとした場合、必要な電力は70メガジュールにも及びます。これらの大電力を発生させるパルス電源としては、主にマルスクジェネレーターと水コンデンサを用いる方法、誘導電圧重畳と誘導性エネルギー蓄積の2つの方法が挙げられます。
マルクスジェネレーターと水コンデンサを用いる方法では、まずインパルス電圧発生器とも呼ばれるマルスクジェネレーターで大きな電力を生み出します。これは複数のコンデンサを並列に充電し、直列で放電するというものです。このマルクスジェネレーターで生み出されたパルス電流を、純水を誘電体とする水コンデンサに供給して瞬間的に充電を行います。水コンデンサに充電された電力を一気に放電させることで大きなパルス電流をワイヤアレイに流し、Zピンチプラズマを生成する仕組みです。
誘導電圧重畳と誘導性蓄積パルス圧縮を用いた方式では、まず巻線数が1:1となるトランスを多数直列にし、電圧を上昇させるという誘導電圧重畳を行います。電流は誘導性蓄積パルス圧縮によって磁場エネルギーとして蓄積された後、外部からプラズマを用いてスイッチ操作を行うことで電流が一気に流れることになります。
大電流によりスタグネーションを引き起こしたワイヤアレイによるZピンチプラズマから放出されたX線は核融合燃料に対して照射されます。X線の核融合燃料への照射は、主に間接照射方式と直接照射方式の二種類が挙げられます。間接照射方式ではスタグネーションで生じたX線を重元素でつくられた内壁に照射し、そこから再放出されたX線を核融合燃料に照射します。この方式では核融合燃料に照射されるX線を均質にしやすいというメリットがありますが、どうしてもロスが生じてしまう関係でX線の強さが下がってしまうというデメリットがあります。直接照射方式ではワイヤアレイの中心部にプラスチックフォームなどの低密度物質で包まれた核融合燃料を配置し、スタグネーションによる運動エネルギーで直接爆縮しつつ、発生したX線は低密度物質内部まで浸透して核融合燃料へと照射されます。またこの時スタグネーションを引き起こしているワイヤアレイは内部でX線を吸収して核融合燃料に対して再放出するという役割も担うことになります。この方式では間接照射方式よりも高いエネルギーで爆縮が可能ですがX線の均一性を確保するのが難しく、X線が十分に核融合燃料に照射されないうちにスタグネーションによる圧力が核融合燃料を変形させてしまうなどの相互作用も生じてしまいます。また、関節照射方式に直接照射方式を組み合わせる方法なども考えられています。
重イオン核融合炉
重イオン（重荷電粒子） をエネルギードライバーとし、レーザーよりも高い効率を実現できるとされている方式です。粒子加速器を用いてビスマス209等の重イオンを10GeV程のエネルギーまで加速し、レーザー方式と同様にホーラムを用いた関節照射により核融合燃料ペレットを爆縮するというものです。荷電粒子を用いた核融合エネルギードライバーとしては、軽イオンを用いる方式も考えられていましたが、イオンが軽いとそのぶん加速に必要な電流量がメガアンペア級にまで非常に大きくなってしまいます。大電流のイオンは発生や制御も難しいため、電流量を10キロアンペア程度まで抑制できる重イオン方式が検討されるようになりました。 重イオンの加速に用いられる加速器の方式としては、高周波加速器（RF加速器）を用いる方法と、インダクション加速器（ID加速器）を用いる方法があります。重イオンエネルギードライバーは10キロアンペアもの大電流でどのように必要な重イオン粒子を発生・加速し、制御と収束するかが課題となっています。
高周波加速器は原子核物理学の分野で広く利用されており、高周波を用いて荷電粒子を「波乗り」させるように加速するものです。高周波加速器の場合はRFQ型線形加速器、アルヴァレ型線形加速器、蓄積リングで構成されるシステムを用います。RFQ型線形加速器ではイオン源で生成された重イオンの初期の加速を担います。RFQ型線形加速器では四重極電界では加速電界による重イオンの加速と、その重イオンビームの収束を同時に行えます。これにより重イオンを1MeV程度まで加速すると、次の段階としてアルヴァレ型線形加速器により10GeV程まで加速されます。アルヴァレ型線形加速器はドリフトチューブ型線形加速器（DTL）の一種で、ドリフトチューブと呼ばれる電極を用いて加速を行います。これは、加速用の高周波の電場が進行方向を向いている時はイオンがその波に乗って加速され、逆方向に向いている時はイオンがドリフトチューブ内に入ることで減速されないようにするというものです。高エネルギーに加速された重イオンは蓄積リングとバンチャーリングによってビームバンチ（ビームの長さ）が圧縮されることでビームの強度を増幅されます。そうした複数のビームを同時に核融合炉に入射させて核融合反応を起こすというものです。
インダクション加速器は誘導加速器とも呼ばれており、Zピンチ核融合で用いられるようなマルクスジェネレーターと水コンデンサを組み合わせたパルス電源などを用いてイオンビームを一気に加速させるというものです。巻線数が1：1のトランスを用いた誘導加速セルによって磁場を発生させ、その磁場による誘導電場によって重イオンが加速されていくというものです。
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