光創大ら、高繰り返し核融合反応に成功と同時に高速点火方式の原理を解明

光産業創成大学院大学(光創大)は、トヨタ自動車、浜松ホトニクス、豊田中央研究所、トヨタテクニカルディベロップメント、ネバダ大学リノ校物理、レーザー技術総合研究所と共同で、テーブルトップ型高出力・高繰り返しレーザーを用いて爆縮・高速点火による高繰り返し核融合反応に成功したと発表した。

成果は、光創大の北川米喜教授らのグループと、前述した5社と1校、1研究所らの共同研究チームによるもの。研究の詳細な内容は、4月4日付けで米物理学専門誌「Physical Review Letters 4月6日号」に掲載された。

また、4月26日からパシフィコ横浜・会議センターで開催されるレーザーに関する国際会議「OPIC(OPTICS & PHOTONICS International Congress)2012」の専門国際会議「レーザー核融合エネルギー」と、今秋10月に米国サンディエゴで開催されるIAEA核融合会議でも報告を行う予定だ。

核融合反応とは、2つの原子核が近づくと原子核の間に働く核力が電気的な反発力に打ち勝って1つに融合し、新しい原子核が生まれることである。ただし、原子核が融合するためには、1億度の高温が必要だ。1億度に加熱するエネルギーは、例えば、重水素(D)と三重水素(T)による反応なら1秒間に1立方cmあたり100兆個のプラズマを保持しなければならない。この温度と密度と閉じ込め時間を「ローソン条件」という。

DやTのような軽い元素は、比較的容易に核融合反応が起こる。この場合には、核融合反応によってヘリウムと中性子ができ、原子量がわずかに減少し、その原子量に相当する1760万eVのエネルギーが発生。核融合発電は、このエネルギーを熱に変えて水蒸気を発生し、タービンを回して発電するのである。

燃料となるDは、海水中に5000分の1の割合で含まれており、つまり海洋に囲まれている日本の場合は、枯渇の心配なくほぼ無尽蔵に採取できるというわけだ。海水1リットルに含まれるDを完全燃焼すれば、ガソリン300リットルに相当する。また核融合でできる中性子は、核融合炉の中でリチウムにぶつけてTを自己生産するのに使用。リチウムも海水中に無尽蔵にあるといえる物質だ。

残りの中性子は、炉心内部の低放射化材料の開発によって放射性廃棄物のレベルを大きく下げる。そして発生するヘリウムは、風船などに使われる人畜無害なものだ。もちろんCO₂は発生しないし、核分裂とは異なり、高レベル放射性廃棄物が発生したり核拡散問題もないのである。

安全神話の崩壊した原子力発電に対してこのようにいいことずくめなのだが、技術的なハードルが高く、完成までにはまだしばらくの時間を要するのが核融合の技術だ。

ハードルの1つが核融合が起きる1億度の状態を保つことなわけだが、その温度になると物質と分子は原子に、原子はプラスの電荷を持った原子核とマイナスの電荷の電子に別れてしまい、それらが混合した電離気体=プラズマとなってしまう。この超高温のプラズマを閉じ込めるには、磁場閉じ込め方式と、「慣性方式」の2種類がある。

磁場閉じ込め方式は想像がつきやすいかと思うが、わかりにくいのが慣性方式だろう。今回のニュースで扱っているレーザー核融合方式はその代表的な技術の1つである。慣性方式は、超高密度プラズマを瞬間的に作って慣性の力で閉じ込めるという、例えるならエンジンの点火装置のようなものだ。燃料プラズマを固体密度よりもさらに高密度に圧縮、加熱し、プラズマが飛散してしまう以前に、すなわちプラズマがそれ自体の慣性でその場所に留まっている間に核融合反応を起こさせ、エネルギーを取り出すのである。

そしてレーザー核融合方式だが、これは大出力のパルスレーザーでもって燃料を一気に圧縮、加熱し高温・高密度のプラズマを作り、慣性により静止させてその間に反応を起こさせるという技術だ。

具体的には、ミリメートルサイズの球殻プラスチックに冷却固化したDとTを充填した燃料ペレット(燃料球)に、四方八方から複数の強力なレーザーパルスを均一に照射。燃料ペレットの表面が加熱され高温のプラズマが発生し、プラズマは外側へ向かって膨張していく。

その反作用で、燃料ペレット表面に超高圧が発生し、燃料は球の中心に向かって加速され圧縮され爆縮を起こす。内部の圧力は1億気圧にも達し、中心部に固体密度の1000倍以上の超高密度に達する低温のプラズマが生成されるという仕組みだ。効率よく高密度状態を作るには均一な爆縮がカギとなる。

核融合反応はDとTが高速で衝突する際に起こり、衝突の頻度はDとTからなるプラズマの温度と密度が高いほど多くなり、DとTのプラズマの密度を固体の密度の1000倍程度にできれば、十分な核融合反応が発生する形だ。

プラズマの密度が高ければより小さなプラズマとなり、プラズマを発生させるために必要なレーザーエネルギーは小さくても十分な核融合反応を起こすことができるのである。この核融合反応の持続時間を決めるのが、プラズマの自由膨張(慣性)というわけだ。

圧縮による衝撃波などで、前述したように中心部分は1億度以上という高温に加熱され、核融合反応が始まる。1000億分の1秒以下の極短時間で半径約0.1mmの狭い領域において核融合燃焼が完了する計算だ。

核融合反応は燃料全体に燃え広がり、瞬時にエネルギーを放出。高温・高密度化での急速な核融合反応により、慣性による有限の膨張時間よりも速く燃えてしまうのである。

中心に自然に発生する高温度プラズマの「ホットスパーク」と、それを取りまく超高密度プラズマ(主燃料)よりなる二重構造のDTプラズマが生成され、ホットスパークの質量密度と半径の積及び温度が核融合の点火条件を満たすと、核融合反応が急激に進展(点火)。

この部分より放出された粒子で周りの主燃料が加熱され、主燃料部に核融合反応が広がり、レーザーにより投入されたエネルギーを上回る核融合エネルギーが高エネルギー中性子として放出され、発電システムとして完成するのだ。なお、レーザーはガソリンエンジンでいうところのピストンである。

ちなみに、原子力発電は火力発電の100万倍の出力だが、核融合はさらにその4倍以上の効率だ。また原理的に構造がシンプルなことから、電気代の低価格化に貢献できる可能異性もあるという(大量生産が可能な半導体レーザー技術の進歩に伴って、レーザー装置のコストも大幅に下がることが期待される)。

またレーザー核融合「発電」の設備だが、核融合炉チャンバー、ドライバーレーザー装置、燃料ペレット製造装置、発電設備でプラントを形成する。レーザー核融合炉の炉チャンバー内で燃料ペレットの燃焼を1秒間に10回以上繰り返して連続的にエネルギーを取り出すのである。

エネルギーの発生の仕方は、例えばDT核融合では、その80%が中性子として、残り20%がプラズマとX線として放出される。1MJのドライバーレーザー装置を用いて「直接照射」で完全燃焼したとした場合、レーザー1パルス当たり10の19乗個程度の中性子が発生するのである。

貫通力の強い中性子は、核融合炉チャンバ内のブランケットで吸収されて熱に換えられ、プラズマとX線もチャンバー内壁で受け止められ最終的に熱に変換。この過程を1秒間に10回程度繰り返すことにより、以降は原子力発電と同様で、これらの熱で発電設備の蒸気タービンを回して原子炉の電気出力1GWe(100万kW)と同レベルの電力を供給するという具合だ。

炉チェンバ壁には、液体層や液体流、ガス、磁場を用いる方式など複数の方式がある。例えば、液体層の方式では、厚さ1mの液体金属(LiPb)で覆われ、核融合パルス出力から中性子を減速し遮蔽して炉壁を防護すること、ブランケットで中性子出力を熱に変換し発電すること、核融合によって発生した中性子をぶつけてTを自己生産するという仕組みだ。

ちなみに、レーザー核融合炉が商用炉として成り立つには、循環電力を4分の1以内に抑える必要がある。つまり、「レーザー効率」(出力エネルギー/投入電力エネルギー)と「核融合利得」(核融合出力エネルギー/照射レーザー光エネルギー)、「発電効率」(発電エネルギー/核融合出力エネルギー)を掛け合わせた数値を4以上にしなければならない。例えば、レーザー効率が10%、発電効率が40%とすると、利得100が必要になるというわけだ。

こうしたレーザー核融合の元々のアイデアと研究はロシアから始まった。現在は米国、フランス、日本の国立施設が大きな装置を持っていて、英国や中国も研究を行っている。米国では、ローレンスリバモア国立研究所の「国立点火施設(NIF)」が2009年から実験を開始した。オバマ政権の新エネルギー戦略が強力な推進力となっているという政治も追い風となっている(大統領選挙の時期が近づいてきているが)。2012年中に点火(核融合を発生させる)を行うという。

そのNIFは、レーザーを燃料球に直接照射せず、間接的に発生するX線を用いる「間接照射方式」の「中心点火方式」を採用しており、レーザー出力は波長351nmの192本のビームを使ってエネルギー1.8MJ、という性能のレーザーを搭載する

中心点火方式とは、爆縮プラズマ中心のホットスパークを用いて固体燃料部分のDとTを核融合反応させる方法だ。高い球対称爆縮が要求されるので、開発の難易度が高い。そのため、NIFは192本のレーザービームを用いている。

また、フランスでは間接照射方式を採用した「LMJ(Laser Mega-Joule)」(波長351nmの240本のビームを使って1.8MJのエネルギーを誇るレーザーを搭載)が建設中だ。そしてフランスのカダラッシュ村では、「磁場閉じ込め方式」で、世界最大級の核融合実験施設「ITER」が、日本も含めた世界の主要国が参加して140億ドルを投じて建設中で、2019年の施設完成と実験開始を予定している状況である。

日本はというと、米国の中心点火方式とは異なり、コンパクトで高効率さを追究できることから、点火プラグに相当する「高速点火方式」に一本化して研究が進展中だ。点火プラグがあれば、レーザー入力が約半分に減るという特徴があるが、実証が困難なために物理機構の解明があまり進んでいないために開発の主流ではなく、実現について見解が分かれているという。

高速点火は、燃料球にレーザーを照射して、爆縮された低温・高密度のプラズマを生成し、プラズマが慣性で静止し膨張飛散する前の1000億分の1秒以下という極めて短時間に、超高強度・超短パルスレーザーで追加熱して効率的に加熱・点火する方法だ。レーザーの均一照射の拘束条件やレーザードライバの出力エネルギーを中心点火方式よりも下げられることから、高密度爆縮と加熱を独立に最適化でき、より大きな利得が期待できるのである。

実現すれば、発電炉までの道のりを中心点火方式に比べて遥かに容易なものとすることは間違いないとされている。しかし、本当にこれで爆縮コアにホットスポットが作れるのか、米国では懐疑的な見方もあることから、前述したように見解が分かれるというわけだ。

ちなみに、高速点火の高速とは、高速電子が媒介するコア加熱、ないしホットスポット形成の意味であるが、流体的な圧縮や衝撃波による加熱などの音速での進行よりエネルギー伝達が高速であるという意味でもある。

現在、日本で稼働している実験炉は、大阪大学の「激光XII号」がある。レーザーを直接燃料球に照射する直接照射方式で、前述したように高速点火方式を採用。「チャープパルス増幅技術」により超短パルスレーザーに高エネルギーを詰め込み、爆縮用は530nmの12本のビームによるエネルギー5kJを0.1～4ns、点火用は1.05μmの波長のエネルギー1kJを0.5～1ps、出力は1000兆Wというスペックの超高強度・超短パルスレーザーを搭載している。

こうした日米もしくは国際共同の核融合実験施設たちは、メガジュール級のドライバレーザーを構築して、入力電力に対して出力電力を100倍程度に大きくする高利得達成に向けた実証実験の途上にある。しかしながら、現時点では、電気光変換効率が高い高繰り返しMJ級の高出力レーザーができていないため、1日数回のショットに限られている(科学的実証をしている)状況だ。

レーザー核融合発電に用いるレーザー装置には、パルス当たり出力エネルギーがブルー光でMJ以上、繰り返しショットが1秒間に10回(10Hz)以上、電気光変換効率が10%以上という性能がすべて揃ったドライバレーザーが必要とされている。現在の科学的実証の段階からその次のステップの工学実証段階に進むには、高繰り返し動作によって連続的に核融合出力を取り出すことだが、それにはドライバレーザーの高性能化が必須なのである。

光創大は2008年に、トヨタ自動車及び浜松ホトニクスなどと共同で、発電のカギとなる高繰り返しレーザーを構築し、当初は10Jのレーザーで実験を開始した。2010年2月には、世界で初めてレーザー核融合反応による中性子の繰り返し発生に成功している。この時は、1枚のターゲットを用いて1秒間に1回の繰り返しで1ショットあたり中性子を10万個程度生成した形だ。

今回の実験では、2枚のターゲットを用いて、爆縮高速点火によるコアプラズマの高速加熱による核融合反応を1秒に1回の繰り返しで行い、1ショットあたり1000個程度の中性子生成に成功した。

今回の実験では、2010年2月に使用したレーザーを爆縮高速点火のために増強し、「LD励起全固体Nd:ガラススラブレーザーKURE-1」(エネルギー12J・繰り返しショット10Hz・波長527nm)でテーブルトップチタンサファイヤレーザーを励起し、ビートレーザー(エネルギー出力200mJ・パルス幅100fs・出力2TW・繰り返しショット10Hz・波長800nm)を種(シード)レーザーとしたフェムト秒ドライバレーザー「HAMA」(エネルギー1J・パルス幅100fs・出力10TW・繰り返しショット10Hz・波長800nm)を用いて行われた。

当初1本であったHAMAのレーザー光は今回4つに分け、2つを高繰り返し爆縮レーザー(エネルギー0.5J・パルス幅400ps・波長1μm)として燃料に対向に照射できるようにし、あと2つを点火レーザー(出力0.5J・パルス幅110fs・波長1μm)として同様に対向に照射できるようにし、爆縮レーザー光と点火レーザー光を同軸にしたのが特徴である。

燃料バレットを模擬した10μm厚の重水素化ポリスチレン(CD)のターゲット2枚を100μmの間隙にして対向したレーザーの中心に置いて、両側から1.3秒に1回の高繰り返しで照射し、加熱した。

その結果、点火レーザーの照射タイミングを爆縮レーザー照射の1.4ns後に合わせた時のみ、点火レーザーによるコア発光が観測されたのである(画像1～3)。また、コアからの熱核融合中性子をショットあたり1000個程度検出し、1分40秒間、100ショットの爆縮・高速点火加熱反応に成功したというわけだ。


画像1。爆縮と点火の照射タイミング	画像2。点火レーザーによる爆縮コアの発光。画像中心部に核融合反応がある

画像3。点火レーザーの照射タイミングを爆縮レーザー照射の1.1ns後に合わせたもの。タイミングが早すぎてコアが形成されていない時の点火レーザーの照射では発光は見えない

今回の観測成功のカギは、「対向照射方式」にある(画像4～6)。爆縮方式は全方位照射方式と対向照射方式があり、ここでは後者の対向照射方式を採っているため、爆縮コアが直接観測できるのが特徴だ。その結果、世界で初めて爆縮コアが高速電子で加熱され、核融合反応が起こって中性子発生に至ったことが判明したのである。


画像4。高出力・高繰り返しレーザーを用いた爆縮高速点火による高繰り返し核融合反応実験概念図	画像5。システムの全景。テーブルトップサイズで実現しており、高速点火方式のメリットのひとつの「コンパクト」に叶っている

画像6。チャンバのアップ

また、高繰り返しMJレーザー装置に必要な高出力半導体レーザー(LD)についても触れておく。MJレーザーを構築する一例を挙げると、レーザー発振器で種光を作り、「YAGレーザー」(誘導放出媒体としてYAG結晶を用いた固体レーザー)で増幅し、さらに「ガラスレーザー」(誘導放出媒体としてガラスを用いた固体レーザー)に入力して増幅、さらにそのレーザー光をより大きなガラスレーザーで増幅していくという構成で、1mJの種光が10億倍に増幅され1MJが得られるというわけだ。

YAGやガラスなどの固体媒質は、励起光源によってエネルギーを与えられ、レーザー発振して増幅される。従来から、励起光源として多用されているフラッシュランプは、レーザー発振に必要な特定の波長以外も多く含んでいるため励起効率が2%から3%程度と低く、レーザー光に変換されない電気のほとんどが熱になってしまうという欠点があった。

発熱したまま繰り返し運転をするとレーザー装置自体が破壊してしまうという問題もある。NIFなどの高利得実験ではフラッシュランプを使用しているため1日数回のショットに限られているほどだ。

レーザー核融合発電の必要条件としての1秒間に10回以上の高繰り返しを実現するには、最初に入力した電気を最終的にレーザー光に変換する効率を10%以上にする必要がある。

そしてレーザーの発熱を抑えるためには、励起光源の高効率化が必要で、最も高効率な光源がLDだ。LDは変換効率が50%程度と格段に高く、さらに70%程度まで高効率化が期待されている。

LDを励起光源とした「LD励起固体レーザー」は、固体媒体の吸収帯より狭い線スペクトルでLDが発光するため励起効率が50%と高く、レーザー媒体に蓄積されたパワーの半分をレーザー光として取り出せば10%以上(50%x50%x50%=12.5%)の電気光変換効率で運転でき、不要な発熱も少ないため10Hz以上の連続繰り返し動作が可能だ。

これは、高速点火方式の実証であるとともに、連続動作核融合発電に直接つながる工学段階の原理実証でもある。また、高速点火で電子がどのように加熱に寄与するかを明らかにした新しい実験であり、実証が困難で物理機構の解明があまり進んでいなかった高速点火方式レーザー核融合の原理解明にも成功したことに物理上の意義がある。

今回の成果の開発ロードマップ上での研究の第一かつ世界的意義は、科学実証を目的とするNIFの点火実証を受けて、その受け皿としての工学実証の第一歩を世界に先駆けて行えたことだ。物理上の意義としては、高速点火方式レーザー核融合の原理解明に成功したことである。また、これまで巨大レーザー装置でしか行われてこなかった研究が、テーブルトップレーザーで行えることを示すことができた点で、開発者の裾野拡大としての意義もあるという。

それから実験施設の概要は、以下の通りだ。