ハイパー

高出力レーザーエネルギー研究施設（HiPER ）は、欧州連合での建設に向けて予備設計が進められている実験用レーザー駆動慣性閉じ込め核融合（ICF）装置である。2019年現在、この取り組みは非アクティブになっているようだ。 ^{[アップデート]}

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、ほぼ同じ大きさの核融合出力を生成する「高速点火」アプローチを研究するために設計されました。これにより、国立点火施設(NIF)などの装置よりもはるかに高い「核融合ゲイン」が得られ、建設コストが約 10 分の 1 に削減されます。これにより、NIF より先に点火に達する小型マシンを迅速に構築する道が開かれました。HiPER と日本の FIREX 設計は、このアプローチ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の装置での高速点火アプローチの研究では、この概念に多くの問題があることが示されました。別の代替アプローチである衝撃点火は、2012年頃から将来の開発を引き継ぎ始めました。 ^[1] HiPERとFIREXはどちらも、それ以降追加の開発は行われていないようです。

HiPER は、しばらく運用されていない「HIPER」という日本の以前の ICF デバイスと混同しないでください。

慣性閉じ込め核融合（ICF）装置は、「ドライバー」を使用して「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、または「DT」）を含む小さな球形のペレットです。レーザーの熱によりペレットの表面がプラズマに燃え、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3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。急速な噴出により、圧縮された燃料の中心に向かって移動する衝撃波も発生します。燃料の中心に到達し、ターゲットの反対側からの衝撃に遭遇すると、中心のエネルギーにより、周囲の小さな体積がさらに加熱され、圧縮されます。その小さなスポット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、新しいアプローチと区別するために現在「ホットスポット点火」と呼ばれています。^[2]

核融合反応により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が適切であれば（十分な密度と温度）、この加熱プロセスにより連鎖反応が起こり、中心から外側に向かって燃えます。これは「点火」と呼ばれる状態であり、ターゲット内の燃料のかなりの部分が核融合を起こし、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実験の大半では、ターゲットの加熱にレーザーが使われてきた。計算によると、コアが分解する前に圧縮するためには、エネルギーを素早く送り込む必要があり、適切な衝撃波を発生させる必要がある。また、燃料を対称コアに崩壊させるには、エネルギーをターゲットの外面全体に極めて均一に集中させる必要がある。粒子加速器で駆動される重イオンなど、他の駆動装置も提案されているが、現時点ではレーザーが適切な機能の組み合わせを備えた唯一の装置である。^{[4] [5]}

HiPER の場合、ドライバー レーザー システムは NIF などの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。

ドライバーは、建物の一端にあるNd:ガラスレーザー増幅器を含む多数の「ビームライン」で構成されています。発射直前に、一連のキセノンフラッシュチューブでガラスを高エネルギー状態に「ポンプ」し、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の準備が整います。ガラスはビームに電力を伝達するのに特に効果的ではないため、できるだけ多くの電力を取り出すために、ビームはミラーキャビティでガラスを 4 回反射し、そのたびに電力が増加します。^[6]このプロセスが完了すると、ポッケルスセルがキャビティから光を切り替えます。^[7] HiPER プロジェクトの 1 つの問題は、Nd:ガラスが商業的に生産されなくなったため、推定 1,300 枚のディスクの供給を確実にするためにいくつかのオプションを検討する必要があることです。^[7]

そこから、レーザー光は非常に長い空間フィルターに送られ、結果として生じるパルスをクリーンアップします。フィルターは本質的には望遠鏡であり、ビームを少し離れたスポットに焦点を合わせます。焦点にある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 番目のレンズによって再び直線ビームに戻ります。空間フィルターの使用により、ICF レーザー デバイスに見られる長いビームラインが実現します。HiPER の場合、フィルターは全長の約 50% を占めます。ドライバー システムの出口でのビーム幅は約 40 cm × 40 cm 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 1 つは、Nd:ガラス レーザーによって提供される赤外光 (真空中で約 1054 nm )がターゲットの周囲の電子と強く結合し、ターゲット自体を加熱するはずだったかなりの量のエネルギーを失うことでした。これは通常、光周波数逓倍器を使用して対処します。光周波数をそれぞれ緑色または紫外線に 2 倍または 3 倍にすることができます。これらの高周波数は電子とあまり強く相互作用しないため、ターゲットにより多くの電力が投入されます。HiPER はドライバーで周波数 3 倍化を使用します。^[9]

増幅プロセスが完了すると、レーザー光は建物の端にある実験室に入ります。ここでレーザー光は一連の変形ミラーで反射され、波面の残りの欠陥を修正し、すべての角度からターゲット室に送り込まれます。ビームラインの端からターゲット室のさまざまなポイントまでの全体的な距離は異なるため、個々のパスに遅延が導入され、すべてが約 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。ターゲットは、HiPER の場合、直径約 1 mm の核融合燃料ペレットで、チャンバーの中心にあります。^[10]

HiPER は、圧縮された燃料を直接加熱するための 2 番目のレーザー セットも備えている点で、ほとんどの ICF デバイスとは異なります。加熱パルスは、約 10 ～ 20 ps と非常に短くする必要がありますが、これは増幅器が適切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) と呼ばれる技術を使用します。CPA は、単色 (単一周波数) ソースを使用するドライバーとは対照的に、広帯域 (マルチ周波数) レーザー ソースからの短いパルスで開始します。この最初のパルスからの光は、一対の回折格子と光学遅延を使用して、さまざまな色に分割されます。これにより、パルスは数ナノ秒の長さのチェーンに「引き伸ばされ」ます。その後、パルスは通常どおり増幅器に送られます。ビームラインから出ると、同様の格子セットで再結合されて単一の非常に短いパルスが生成されますが、パルスのパワーが非常に高くなるため、格子は大きく (約 1 m)、真空内に配置する必要があります。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、合計 70 kJ を生成するために、それぞれ 3 kJ 未満のビームラインを 24 本必要とします。ビームラインの正確な数と出力は現在研究中です。^[10]ヒーターには周波数逓倍も使用されますが、2 倍にするか 3 倍にするかはまだ決まっていません。後者はターゲットにより多くの電力を供給しますが、光の変換効率は低くなります。2007 年現在、基本設計は緑色に 2 倍にすることを基本としています。^[11]

従来の ICF デバイスでは、ターゲットを非常に高い密度に圧縮するためにドライバー レーザーが使用されます。このプロセスによって生成される衝撃波は、圧縮された燃料が球体の中心に衝突したときにさらに加熱されます。圧縮が十分に対称的であれば、温度の上昇によってローソン基準に近い状態が生まれ、発火につながる可能性があります。

ターゲットを効果的に圧縮して点火条件に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ています。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いました^{[12] [13]}。そして、この出力レベルに達するために、いくつかの実験用レーザーが作られました。実際にそのレベルに達すると、一連の問題 (通常は崩壊の均一性に関連する) により、爆縮の対称性が著しく乱れ、コアの温度が当初の予想よりはるかに低くなることが判明しました。1980 年代を通じて、点火に必要な推定エネルギーはメガジュールの範囲にまで増加し、ICF は核融合エネルギー生成には実用的でないように見えました。たとえば、国立点火施設(NIF) は、ドライバー レーザーをポンピングするために約 420 MJ の電力を使用し、最良の場合でも約 20 MJ の核融合出力を生成する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。

高速点火アプローチは、これらの問題を回避しようとするものである。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使用する代わりに、このアプローチでは燃料を直接加熱する。これは、それほど重要ではなくなる衝撃波よりもはるかに効率的である。HiPER では、ドライバーによって提供される圧縮は「良好」であるが、NIF のような大型デバイスによって生成される圧縮には遠く及ばない。HiPER のドライバーは約 200 kJ で、約 300 g/cm ³の密度を生成する。これは NIF の約 3 分の 1 であり、1980 年代の初期のNOVA レーザーによって生成されるものとほぼ同じである。比較すると、鉛は約 11 g/cm ^{3であるため、ターゲットの内部に約 0.1 g/cm 3}の軽い DT 燃料が含まれていることを考慮すると、これは依然としてかなりの圧縮量である。[ ^10]

点火は、非常に短い（約 10 ピコ秒）超高出力（約 70 kJ、4 PW）レーザーパルスによって開始され、コアのプラズマの穴を通して照射されます。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、燃料に送り込まれます。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駆動すると予想されます。^[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 4 MJ の赤外線電力を生成して点火し、約 20 MJ のエネルギーを放出します。^[2]これは、約 5 の「融合利得」（入力レーザー電力と出力融合電力の比率）に相当します。現在の HiPER 設計のベースライン仮定を使用する場合、2 つのレーザー（ドライバーとヒーター）は合計で約 270 kJ を生成しますが、25 ～ 30 MJ を生成するため、約 100 の利得になります。^[10]さまざまな損失を考慮すると、実際の利得は約 72 になると予測されます。^[10]これは NIF を大幅に上回るだけでなく、レーザーが小型化されるため、構築コストが大幅に削減されます。コストに対する電力の点で、HiPER は NIF などの従来のデバイスよりも約 1桁安価になると予想されます。

圧縮はすで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を調査することに関心があります。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。これは通常の圧力下にある物質ではわかっていますが、圧縮された燃料の超高密度状態ではわかりません。効率的に機能するには、電子はできるだけ短い距離で停止し、エネルギーを小さなスポットに放出して、温度 (単位体積あたりのエネルギー) をできるだけ高くする必要があります。

レーザー光をその場所に当てる方法も、今後の研究課題です。1 つのアプローチでは、別のレーザーからの短いパルスを使用して、高密度の「コア」の外側のプラズマを加熱し、本質的には穴を燃やして内部の高密度燃料を露出させます。このアプローチは、米国のOMEGA-EPシステムでテストされます。日本のGEKKO XIIレーザーでテストに成功した別のアプローチでは、ターゲット シェルの小さな領域をカットする小さな金の円錐を使用します。加熱すると、この領域にプラズマは生成されず、円錐の内側の表面にレーザーを照射して狙うことができる穴が残ります。HiPER は現在、金の円錐アプローチを使用する予定ですが、燃焼ソリューションも研究する予定です。^[10]

2005 年に HiPER は、建設に向けた可能なアプローチと論点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 EC 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、2011 年または 2012 年に建設の詳細設計が開始されました。^{[引用が必要]}

同時に、HiPER プロジェクトでは、より小型で繰り返し率の高いレーザー システムの構築も提案しています。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、冷却されるまで再度発光させることができません。冷却には 1 日ほどかかります。さらに、チューブによって生成される白色光のフラッシュのうち、Nd:ガラスに吸収されて増幅につながる適切な周波数のものはごくわずかで、一般にチューブに供給されるエネルギーの約 1 ～ 1.5% のみがレーザー ビームになります。^[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に置き換えることです。これらは電気から光を生成するのにはるかに効率的であり、したがってはるかに低温で動作します。さらに重要なのは、それらが生成する光はかなり単色であり、簡単に吸収できる周波数に調整できることです。つまり、特定の量のレーザー光を生成するために必要な電力が大幅に少なくなり、生成される熱の総量がさらに減少します。効率の改善は劇的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、「近い将来」のデバイスはこれを20％まで向上させると考えられています。^[15]

高速点火アプローチのさらなる研究は、その将来に重大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、高速点火アプローチ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コンセプトよりもIFEにとって有望なアプローチではないようです」と述べました。^[16]

• Mike Dunne 他、「HiPER 技術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、「ヨーロッパ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
• 融合への近道 - 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ニュースレポート
• 英国中央レーザー施設所長マイク・ダン教授が、核融合エネルギー創出に関する欧州の計画について語る、Ingenia誌、2007 年 12 月
• HiPER Power – physics.org の記事、2009 年 8 月