ハイパー
レーザー駆動のICF計画

予備設計調査からの HiPER のレイアウト。

高出力レーザーエネルギー研究施設（HiPER ）は、欧州連合（EU）での建設を目指し、予備設計が進められている実験用レーザー駆動慣性核融合（ICF）装置です。2019年現在、この取り組みは停止しているようです。 [更新]

HiPERは、従来のICF設計よりもはるかに小型のレーザーを使用しながら、ほぼ同等の核融合出力を生み出す「高速点火」方式の核融合発電を研究するために設計されました。この方式は、国立点火施設（NIF）などの装置よりもはるかに高い「核融合利得」と、建設コストの約10分の1の削減を実現します。これにより、NIFよりも早く点火に達する小型装置を迅速に構築することが可能になりました。HiPERと日本のFIREX設計は、この方式を研究することを目的としていました。

しかし、米国のオメガレーザーのような小型装置における高速点火方式の研究により、この概念には多くの問題があることが明らかになりました。2012年頃から、別の代替方式である衝撃点火方式が将来の開発の主流となり始めました。 [1] HiPERとFIREXはどちらも、それ以降、さらなる開発は行われていないようです。

HiPER は、日本で以前から使用されていた「HIPER」という名の ICF デバイスと混同しないでください。HIPER はしばらく使用されていません。

背景

慣性閉じ込め核融合（ICF）装置は、「ドライバー」を用いて「ターゲット」の外層を急速に加熱し、圧縮します。ターゲットは、数ミリグラムの核融合燃料（通常は重水素と三重水素の混合物、つまり「DT」）を含む小さな球形のペレットです。レーザーの熱によってペレットの表面がプラズマ化し、表面から爆発します。ターゲットの残りの部分は、ニュートンの第三法則により内側に押し出され、非常に高密度の小さな点に崩壊します。この急速な噴出は、圧縮された燃料の中心に向かって進む衝撃波も生成します。衝撃波が燃料の中心に到達し、ターゲットの反対側からの衝撃波と衝突すると、中心のエネルギーが周囲の小さな体積をさらに加熱し、圧縮します。この小さな点の温度と密度を十分に高くすることができれば、核融合反応が発生します。このアプローチは現在、新しいアプローチと区別するために「ホットスポット点火」と呼ばれています。[2]

核融合反応では高エネルギー粒子が放出され、その一部（主にアルファ粒子）は周囲の高密度燃料と衝突して減速します。これにより周囲の燃料が加熱され、その燃料も核融合反応を起こす可能性があります。圧縮された燃料の全体的な条件（十分な密度と温度）が適切であれば、この加熱プロセスは連鎖反応を引き起こし、中心から外側に向かって燃え広がります。これは「点火」と呼ばれる状態であり、標的内の燃料の大部分が核融合反応を起こし、大量のエネルギーが放出される可能性があります。[3]

これまでのICF実験のほとんどは、標的の加熱にレーザーを用いてきました。計算によると、核が崩壊する前に圧縮するためには、エネルギーを迅速に供給する必要があり、適切な衝撃波を発生させる必要があることが示されています。また、燃料を対称的な核に崩壊させるには、エネルギーを標的の外表面全体に極めて均一に集中させる必要があります。粒子加速器で駆動される重イオンなど、他の駆動源も提案されていますが、現時点ではレーザーがこれらの特性を最適に組み合わせた唯一の装置です。[4] [5]

説明

HiPERの場合、ドライバーレーザーシステムはNIFのような既存のシステムと似ていますが、かなり小型で出力も低くなります

駆動装置は、建物の一端に設置されたNdガラスレーザー増幅器を備えた複数の「ビームライン」で構成されています。照射直前に、ガラスは一連のキセノンフラッシュ管によって高エネルギー状態に「励起」され、ガラス内のネオジム（Nd）原子の反転分布を引き起こします。これにより、光ファイバーで外部生成された少量のレーザー光がビームラインに供給されると、誘導放出による増幅が可能になります。ガラスはビームへのパワー伝達効率がそれほど高くないため、できるだけ多くのパワーを取り出すために、ビームは鏡面共振器内でガラスを4回反射させ、そのたびにパワーが増加します。[6]このプロセスが完了すると、ポッケルスセルによって光が共振器から出力されます。[7] HiPERプロジェクトにとっての問題の一つは、Ndガラスが商業的に生産されなくなったことです。そのため、推定1,300枚のディスクの供給を確保するために、いくつかの選択肢を検討する必要があります。[7]

そこからレーザー光は非常に長い空間フィルタに送られ、生成されたパルスがクリーンアップされます。このフィルタは本質的に望遠鏡のようなもので、ビームをある程度離れた一点に集光します。焦点に配置された小さなピンホールが、レーザービームの不均一性によって生じる「迷光」を遮断します。その後、ビームは広がり、2つ目のレンズによって再び直線ビームに戻ります。ICFレーザー装置に見られる長いビームラインは、空間フィルタの使用によって実現されています。HiPERの場合、フィルタは全長の約50%を占めます。駆動システム出口におけるビーム幅は約40cm×40cmです。[8]

これまでの実験、特にShivaレーザーで遭遇した問題の一つは、Ndガラスレーザー（真空中で約1054 nm ）から発生する赤外光が標的周囲の電子と強く結合し、標的自体を加熱するはずのエネルギーを相当量失ってしまうことであった。この問題は通常、光周波数逓倍器を用いることで解決される。光周波数を2倍または3倍に増幅し、それぞれ緑色または紫外線に変換する。これらの高周波数は電子との相互作用が弱まるため、標的により多くのエネルギーを供給できる。HiPERでは、駆動装置に周波数3倍増幅技術を採用する。[9]

増幅プロセスが完了すると、レーザー光は建物の一端にある実験室に入ります。ここでレーザー光は一連の可変形ミラーで反射され、波面の残存欠陥を補正した後、あらゆる角度からターゲット室に送られます。ビームラインの両端からターゲット室の各点までの距離はそれぞれ異なるため、個々の経路に遅延が導入され、すべてのビームが約10ピコ秒（ps）以内に同時にチャンバーの中心に到達します。HiPERの場合、ターゲット（直径約1mmの核融合燃料ペレット）はチャンバーの中心にあります。[10]

HiPERは、圧縮燃料を直接加熱するための2組目のレーザーも備えている点で、ほとんどのICF装置とは異なります。加熱パルスは10～20ピコ秒程度と非常に短くする必要がありますが、増幅器が十分に機能するには短すぎます。この問題を解決するために、HiPERはチャープパルス増幅（CPA）と呼ばれる技術を採用しています。CPAは、単色（単一周波数）光源を使用する駆動装置とは異なり、広帯域（多周波数）レーザー光源からの短いパルスから始まります。この初期パルスからの光は、一対の回折格子と光遅延素子を用いて異なる色に分割されます。これにより、パルスは数ナノ秒の長さの鎖に「引き伸ばされ」ます。その後、パルスは通常通り増幅器に送られます。ビームラインから出射されたパルスは、同様の格子群で再結合され、単一の非常に短いパルスを生成します。しかし、パルスの出力が非常に高くなるため、格子は大きく（約1メートル）、真空中に配置する必要が生じます。さらに、個々のビームは全体的に低い出力でなければなりません。システムの圧縮側では、それぞれ約5 kJのビームラインを40本使用して合計200 kJを生成しますが、点火側では3 kJ弱のビームラインを24本使用して合計70 kJを生成します。ビームラインの正確な数と出力は現在研究中です。[10]ヒーターにも周波数逓倍法が用いられますが、2倍化と3倍化のどちらを使用するかはまだ決定されていません。後者はターゲットにより多くの電力を供給しますが、光変換効率は低くなります。2007年時点では、基本設計はグリーンビームへの2倍化に基づいています。[11]

高速点火とHiPER

従来のICF装置では、駆動レーザーを用いてターゲットを非常に高い密度まで圧縮します。この過程で発生する衝撃波は、圧縮された燃料が球体の中心に衝突する際にさらに加熱されます。圧縮が十分に対称的であれば、温度上昇によってローソン条件に近い状態が生じ、発火に至る可能性があります。

ターゲットを効果的に点火条件まで圧縮するために必要なレーザーエネルギー量は、初期の推定値から急速に増加しました。1970年代のICF研究の「初期」には、わずか1 キロジュール（kJ）で十分であると考えられており[12] [13]、この出力レベルに達するために多くの実験用レーザーが開発されました。しかし、実際にこれらのレーザーが開発されると、崩壊の均一性に関連する一連の問題が爆縮の対称性を著しく損なうことが判明し、コア温度は当初の予想よりもはるかに低くなります。1980年代を通じて、点火に必要なエネルギーの推定値はメガジュール単位にまで増加し、ICFは核融合エネルギー生産には実用的ではないと思われました。例えば、国立点火施設（NIF）は、駆動レーザーの励起に約420MJの電力を使用し、最良の場合でも約20MJの核融合エネルギー出力を生み出すと予想されています。[2]出力の劇的な向上がなければ、このような装置は決して実用的なエネルギー源にはならないだろう。

高速点火方式はこれらの問題を回避しようとするものです。点火範囲を超える核融合に必要な条件を作り出すために衝撃波を用いるのではなく、この方式では燃料を直接加熱します。これは、重要性が低下する衝撃波よりもはるかに効率的です。HiPERでは、ドライバーによる圧縮は「良好」ですが、NIFのような大型装置で得られる圧縮には遠く及びません。HiPERのドライバーは約200 kJで、約300 g/cm 3の密度を生成します。これはNIFの約3分の1であり、1980年代初期のNOVAレーザーで生成される密度とほぼ同じです。比較のために鉛は約11 g/cm 3なので、ターゲット内部に約0.1 g/cm 3の軽いDT燃料が含まれていることを考えると、これは依然としてかなりの圧縮量です。[ 10]

点火は、非常に短い（約10ピコ秒）超高出力（約70 kJ、4 PW）のレーザーパルスを、プラズマのコアに開けられた穴を通して照射することで開始されます。このパルスからの光は周囲の冷たい燃料と相互作用し、高エネルギー（3.5 MeV）の相対論的電子のシャワーを発生させ、燃料に衝突させます。電子は高密度コアの片側を加熱し、この加熱が十分に局所的であれば、その領域を点火エネルギーをはるかに超えて加熱することが期待されます。[10]

このアプローチの全体的な効率は、従来のアプローチの何倍にもなります。NIFの場合、レーザーは約4MJの赤外線出力を生成し、点火によって約20MJのエネルギーを放出します。[2]これは「核融合利得」（入力レーザー出力と出力核融合出力の比）が約5に相当します。現在のHiPER設計のベースライン仮定を用いると、2つのレーザー（ドライバーとヒーター）は合計約270kJを生成し、25～30MJを生成するため、利得は約100となります。[10]様々な損失を考慮すると、実際の利得は約72と予測されます。[10]これはNIFを大幅に上回る性能であるだけでなく、レーザーが小型化することで製造コストも大幅に削減されます。コスト対出力比で見ると、HiPERはNIFのような従来の装置よりも約1桁安価になると予想されます。

圧縮は既にかなりよく理解されている問題であり、HiPERは主に急速加熱プロセスの正確な物理現象の探究に注力しています。電子が燃料負荷内でどれだけ速く停止するかは明らかではありません。これは常圧下の物質では分かっていますが、圧縮された燃料のような超高密度状態では分かっていません。効率的に機能するには、電子は可能な限り短い距離で停止し、エネルギーを小さな点に放出することで、温度（単位体積あたりのエネルギー）を可能な限り高くする必要があります。

レーザー光をその点に当てる方法も、今後の研究課題です。一つのアプローチは、別のレーザーからの短パルスを用いて高密度の「コア」の外側のプラズマを加熱し、実質的に穴を開けて内部の高密度燃料を露出させるというものです。このアプローチは、米国のOMEGA-EPシステムで試験される予定です。もう一つのアプローチは、日本のGEKKO XIIレーザーで試験に成功しており、小さな金の円錐を用いてターゲットシェルの小さな領域を切断します。加熱するとこの領域にはプラズマが生成されず、円錐の内面にレーザーを照射することで穴を開けることができます。HiPERは現在、金の円錐を用いたアプローチを採用する予定ですが、燃焼法についても研究を行う予定です。[10]

2005年、HiPERは建設のための可能なアプローチと議論を概説した予備調査を完了しました。この報告書は2007年7月に欧州委員会から好意的な評価を受け、2008年初頭に準備設計段階に移行し、建設の詳細設計は2011年または2012年に開始されました。[要出典]

並行して、HiPERプロジェクトでは、より小型で高繰り返し周波数のレーザーシステムの構築も提案されています。レーザー増幅ガラスを励起するために使用される高出力フラッシュランプは、ガラスを変形させ、冷却するまで再発光させることができません。冷却には最大1日かかります。さらに、管から生成される白色フラッシュ光のうち、Ndガラスに吸収され増幅につながる適切な周波数を持つのはごくわずかです。一般的に、管に供給されたエネルギーの約1～1.5%のみがレーザービームとして生成されます。[14]

これらの問題を回避する鍵は、フラッシュランプをより効率的なポンプ（通常はレーザーダイオードをベースにしたもの）に置き換えることです。これらのポンプは電気から光を生成する効率がはるかに高く、動作温度もはるかに低くなります。さらに重要なのは、生成される光がほぼ単色であり、吸収されやすい周波数に調整できることです。つまり、一定量のレーザー光を生成するために必要な電力が大幅に削減され、発生する熱量もさらに削減されます。効率の向上は劇的なものになる可能性があります。既存の実験装置は全体の効率が約10%で動作しており、「近い将来」の装置ではこの効率が最大20%まで向上すると考えられています。[15]

現状

高速点火アプローチのさらなる研究は、その将来に深刻な疑問を投げかけました。2013年までに、米国科学アカデミーは、高速点火はもはや価値のある研究方向ではないと結論付け、「現時点では、高速点火は他の点火概念よりもIFEにとって有望なアプローチではないようだ」と述べました。[16]

参照

参考文献

  1. ^ Perkins, LJ (2009). 「衝撃点火：国立点火施設における高利得慣性閉じ込め核融合への新たなアプローチ」(PDF) . Physical Review Letters . 103 (4) 045004. Bibcode :2009PhRvL.103d5004P. doi :10.1103/physrevlett.103.045004. PMID 19659364. 2022年10月9日時点の オリジナル(PDF)からアーカイブ。2015年12月7日閲覧
  2. ^ abc 「How NIF works」、2010年5月27日アーカイブ、Wayback Machineにて。ローレンス・リバモア国立研究所。2007年10月2日閲覧。
  3. ^ Per F. Peterson, Inertial Fusion Energy: A Tutorial on the Technology and Economics Archived 27 September 2011 at the Wayback Machine , University of California, Berkeley, 1998. Retrieved 7 May 2008.
  4. ^ Per F. Peterson、「How IFE Targets Work」、Wayback Machineで2008年6月17日にアーカイブ、カリフォルニア大学バークレー校、1998年。2008年5月8日閲覧。
  5. ^ Per F. Peterson, Drivers for Inertial Fusion Energy Archived 14 September 2008 at the Wayback Machine , University of California, Berkeley, 1998. 2008年5月8日閲覧。
  6. ^ ダン、2007年、107ページ
  7. ^ ダン、2007年、147ページ
  8. ^ ダン、2007年、101ページ
  9. ^ S. Atzeni, et al., "Fast ignitor target studies for the HiPER project" Archived 5 December 2010 at the Wayback Machine , Physics of Plasmas , Vol. 15, 056311 (2008), doi :10.1063/1.2895447
  10. ^ abcdefg ダン、2005
  11. ^ ダン、2007年、149ページ
  12. ^ Nuckolls他「物質の超高密度へのレーザー圧縮：熱核（CTR）応用」Nature Vol. 239, 1972, pp. 129
  13. ^ John Lindl、「エドワード・テラー・メダル講演：間接駆動への進化とICF点火・燃焼に向けた20年間の進歩」、第11回レーザー相互作用および関連プラズマ現象に関する国際ワークショップ、1994年12月。2008年5月7日閲覧。
  14. ^ ダン、2007年、104ページ
  15. ^ ダン、2007年、130ページ
  16. ^ 慣性閉じ込め核融合ターゲットの評価（技術報告書）米国科学アカデミー2013年65頁。

参考文献

  • マイク・ダン他、「HiPER 技術的背景および概念設計レポート 2007」、2007年6月
  • マイク・ダン他「HiPER：ヨーロッパ向けレーザー核融合施設」、2005年
  • エドウィン・カートリッジ、「欧州がレーザー核融合施設を計画」、Physics World、2005年9月2日
  • ガースナー、エド（2007）、「レーザー物理学：極限光」、ネイチャー、446（7131）：16– 18、Bibcode：2007Natur.446...16G、doi：10.1038/446016a、PMID  17330018、S2CID  4388058
  • HiPERプロジェクト – プロジェクトホームページ
  • 核融合への高速化 – ゴールドコーンアプローチの画像を含む
  • GEKKO XII/HIPERレーザーにおける流体力学的不安定性実験 – 比較のために、日本の同名の実験
  • レーザービジョンがエネルギーの未来を牽引 ― BBCニュース
  • 英国中央レーザー施設所長マイク・ダン教授による、核融合エネルギー創出に関する欧州の計画について。Ingenia誌、2007年12月号
  • HiPER Power – physics.orgの記事、2009年8月
「https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=HiPER&oldid=1314081093」より取得