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核融合点火は、核融合反応が自立的になる点です。これは、反応によって放出されるエネルギーが燃料塊を冷却するよりも速く加熱するときに発生します。言い換えると、核融合点火は、核融合の自己発熱の増加により外部加熱の必要性がなくなる点です。[1]これはローソン基準 によって定量化されます。[2]点火は、核融合エネルギー利得係数 によって定義することもできます。[3]
実験室では、ローソン基準で定義された核融合点火が2021年8月に初めて達成され、[4] エネルギー利得係数で定義された点火は2022年12月に達成され、[5] [6] どちらも米国国立点火施設によって達成されました。
研究
- レーザービームまたはレーザー生成X線は核融合ターゲットの表面を急速に加熱し、周囲にプラズマエンベロープを形成します。
- 燃料は、高温の表面物質のロケットのような噴出によって圧縮されます。
- カプセルの爆縮の最終段階では、燃料コアの密度が鉛の 20 倍に達し、100,000,000 ˚C で発火します。
- 熱核燃焼は圧縮された燃料を通じて急速に広がり、入力エネルギーの数倍のエネルギーを生み出します。
点火は、放出されるエネルギーの総量と燃料を加熱するために使用されるエネルギーを比較する同様の概念である損益分岐点と混同してはならない。重要な違いは、損益分岐点は、燃料の加熱に寄与せず、したがって反応を自立させることができない周囲への損失を無視することです。損益分岐点は核融合エネルギー分野では重要な目標ですが、実用的なエネルギー生産設計には点火が必要です。[7]
自然界では、恒星は太陽と同程度の温度、約1500万ケルビン（華氏2700万度）で点火する。恒星は非常に大きいため、核融合生成物は、そのエネルギーが恒星の外部の環境に失われる前に、ほぼ必ずプラズマと相互作用する。これに比べて、人工の原子炉は密度がはるかに低く、はるかに小さいため、核融合生成物は簡単に燃料から逃げることができる。これを補うには、はるかに高い核融合率が必要であり、したがってはるかに高い温度が必要である。ほとんどの人工核融合炉は、1億ケルビン（華氏1億8000万度）を超える温度で作動するように設計されています。[8]
核融合点火は、人類が初めて熱核兵器の爆発炉心で達成した。熱核兵器は、従来の核分裂（U-235またはPu-239 / 241 ）「スパークプラグ」を使用して高圧を発生させ、核融合燃料（通常は重水素化リチウム）の棒を圧縮する。燃料は点火するのに十分な圧力と密度に達し、その過程で大量のエネルギーと中性子を放出する。[9]
ローレンス・リバモア国立研究所の国立点火施設では、レーザー駆動慣性閉じ込め核融合実験を行っており、核融合点火を実現している。これは熱核兵器に似ているが、国立点火施設では核分裂兵器の代わりに1.8 MJのレーザーシステムを使用して燃料を圧縮し、はるかに少量の燃料（水素の同位体である重水素と三重水素の混合物）を使用する。[10] 2012年1月、国立点火施設のディレクターであるマイク・ダンは、Photonics West 2012の全体会議での講演で、2012年10月までにNIFで点火が達成されると予測した。 [11] 2022年までにNIFは点火を達成した。[要出典]
トカマク型原子炉の設計に基づいて、 ITERは主に内部核融合加熱によって核融合を維持し、プラズマで10倍の電力回収を実現することを目指している。[12]建設は2025年に完了する予定である。[要出典]
専門家は、核融合点火の達成が核融合エネルギーによる発電への第一歩であると考えている。[13]
2021年と2022年の点火レポート
カリフォルニア州ローレンス・リバモア国立研究所の国立点火施設は2021年に[14]、2021年8月8日に研究所内で点火を引き起こしたと報告した。これはICFプログラムの60年以上の歴史の中で初めてのことである。[15] [16]このショットにより1.3メガジュールの核融合エネルギーが得られ、2021年春に行われたテストの8倍の改善となった。 [14] NIFは、レーザーが1.9メガジュールのエネルギーを供給し、そのうち230キロジュールが燃料カプセルに到達したと推定している。これは、科学的エネルギー総利得0.7、カプセルエネルギー利得6に相当する。 [14]この実験は米国科学アカデミー が定義する点火（総エネルギー利得が1を超える）には達しなかったが、この分野で働くほとんどの人々は、この実験をローソン基準で定義される点火の実証と見なした。[14]
2022年8月、この実験の結果は査読付き論文3本で確認された。1本はPhysical Review Letters誌に、2本はPhysical Review E誌に掲載された。[17] 2022年を通して、NIFの研究者らは8月の結果を再現しようと試みたが、失敗した。[18]しかし、2022年12月13日、米国エネルギー省はTwitterで、12月5日の実験が8月の結果を上回り、科学的ゲイン1.5を達成し、[19] [20] 米国科学アカデミーの点火の定義を超えたと発表した。[3]
参照
参考文献
- ^ Chandler, David L. (2010 年 5 月 10 日). 「核融合点火を目指す新プロジェクト」. MIT ニュース. MIT . 2012 年2 月 24 日閲覧。
- ^ Lawson, JD (1955年12月). 「発電用熱核融合炉のいくつかの基準」. Proceedings of the Physical Society, Section B . 70 (1): 6–10. Bibcode :1957PPSB...70....6L. doi :10.1088/0370-1301/70/1/303.
- ^ ab ビショップ、ブレアナ（2023年2月6日）。「点火は米国に世界のIFE研究をリードする『ユニークな機会』を与える」ローレンスリバモア国立研究所。 2023年7月26日閲覧。
この偉業により、米国科学アカデミーが点火を定義するために使用した1を超える科学的エネルギーゲイン1.5が確立されました。
- ^ Abu-Shawareb, H.; Acree, R.; Adams, P. (2022年8月8日). 「慣性核融合実験でローソン点火基準を超過」. Phys. Rev. Lett . 129 (7): 075001. Bibcode :2022PhRvL.129g5001A. doi : 10.1103/PhysRevLett.129.075001 . hdl : 10044/1/99300 . PMID 36018710.
- ^ Clery, Daniel (2022年12月13日). 「歴史的な爆発により、長年求められていた核融合のブレークスルーが実現」. Science . doi :10.1126/science.adg2803 . 2022年12月13日閲覧。
- ^ David Kramer (2022年12月13日)、「National Ignition Facility surpasses long-awaited fusion milestone」、Physics Today、2022 (2)、American Institute of Physics: 1213a、Bibcode :2022PhT..2022b1213.、doi :10.1063/PT.6.2.20221213a、S2CID 254663644、
12月5日にローレンスリバモア国立研究所で行われた実験は、エネルギー増加を生み出す史上初の制御された核融合反応である。
- ^ 「国立点火施設：科学の新時代の到来」ローレンス・リバモア国立研究所。2012年5月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年2月26日閲覧。
- ^ Narang, Gaurvi (2022年9月11日). 「核融合炉が30秒間1億Cに到達。それが将来に意味するもの」ThePrint . 2022年12月28日閲覧。
- ^ ハンセン、チャック（1988年）。米国の核兵器：秘められた歴史。クラウン。ISBN 978-0517567401. LCCN 87021995. OCLC 865554459. OL 2392513M . 2021年11月10日閲覧– Internet Archive経由。
- ^ 米国国立研究会議（National Research Council）プラズマ委員会（2007年12月20日）プラズマ科学：国家の利益のための知識の進歩。国立学術出版局。p. 24。ISBN 978-0-309-16436-8。
- ^ Hatcher, Mike (2012年1月26日). 「PW 2012: 核融合レーザー、2012年の燃焼に向けて順調に進んでいます」. Optics.org . サンフランシスコ. 2019年1月11日閲覧。
- ^ 「ITERとは?」2023年11月14日。
- ^ 米国国立研究会議（National Research Council）プラズマ委員会（2007年12月20日）プラズマ科学：国家の利益のための知識の進歩。国立学術出版局。ISBN 978-0-309-16436-8。
- ^ abcd Wright, Katherine (2021年11月30日). 「核融合反応における最初の点火」.物理学. 14 :168. Bibcode :2021PhyOJ..14..168W. doi : 10.1103/Physics.14.168 . S2CID 244829710.
- ^ Dunning, Hayley (2021年8月17日). 「実験室で『点火』が起こり、核融合の大きなマイルストーンが達成された」Phys.org。
- ^ ビショップ、ブレアナ（2021年8月18日）。「国立点火施設の実験により、研究者は核融合点火の閾値に到達」ローレンスリバモア国立研究所。
- ^ Padilla, Michael (2022年8月8日). 「査読済みの3本の論文が、国立点火施設の記録的な収量ショットの科学的成果を強調」ローレンス・リバモア国立研究所。
- ^ Kramer, David (2021年12月3日). 「ローレンス・リバモアの最新の点火試みは失敗に終わった」. Physics Today . 2021 (2): 1203a. Bibcode :2021PhT..2021b1203.. doi :10.1063/PT.6.2.20211203a. S2CID 244935714.
- ^ デイビス、ニコラ（2022年12月12日）。「核融合のブレークスルーは『ほぼ無限のエネルギー』を意味する可能性がある」ガーディアン。 2022年12月13日閲覧。
- ^ @energy (2022年12月13日). 「速報：これは何十年もかけて準備されてきた発表です」（ツイート）。2022年12月14日に閲覧 – Twitter経由。
外部リンク
- 国立点火施設
- レーザーメガジュール（フランス語）