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核融合の歴史は、 20世紀初頭に恒星がどのようにして自らエネルギーを生み出すのかという探求から始まり、潜在的な応用分野が戦争、エネルギー生産、ロケット推進などに拡大するにつれて、物質とエネルギーの本質に関する幅広い探求へと発展していった。
1920 年、イギリスの物理学者フランシス・ウィリアム・アストンは、水素原子4 個の質量がヘリウム原子1 個の質量( He-4 ) よりも大きいことを発見し、水素原子を結合させてヘリウムを形成することでエネルギーが放出されることを示唆しました。これは、恒星がエネルギーを生成するメカニズムの最初のヒントとなりました。1920 年代を通して、アーサー・スタンレー・エディントンは、太陽を動かす主要なシステムとして陽子-陽子連鎖反応(PP 反応)の主要な提唱者となりました。[ 1 ] [ 2 ]量子トンネル効果は1929 年にフリードリヒ・フントによって発見され、その直後にロバート・アトキンソンとフリッツ・ホウターマンスは、軽い元素の測定された質量を使用して、小さな原子核を融合することで大量のエネルギーが放出されることを示しました。
ヘンリー・ノリス・ラッセルは、ヘルツシュプルング・ラッセル図の関係から、星の熱は星全体からではなく、高温の核から来ていることが示唆されることに気づきました。エディントンはこのことを利用して、核の温度は約 4000 万 K でなければならないと計算しました。この値は、その値の 3 分の 1 から 2 分の 1 を示唆する天文学的観測値よりもはるかに高いため、議論の的となりました。ジョージ・ガモフは1928 年に量子トンネル効果の数学的基礎を導入しました。 [ 3 ] 1929 年に、ロバート・デスクール・アトキンソンとフリッツ・ホウターマンスは、恒星の核融合率の最初の推定値を提供しました。彼らは、核融合は以前考えられていたよりも低いエネルギーで起こり得ることを示し、エディントンの計算を裏付けました。[ 4 ]
核実験は、ケンブリッジ大学のアーネスト・ラザフォードのキャベンディッシュ研究所でジョン・コッククロフトとアーネスト・ウォルトンが作った粒子加速器を使って始まった。1932年、ウォルトンは加速器からの陽子を使ってリチウムをアルファ粒子に分裂させることで、人類初の人工核分裂を起こした。[ 5 ]その後、加速器はさまざまな標的に重水素を発射するために使用された。ラザフォードらと共同で、マーク・オリファントはヘリウム3（ヘリオン）とトリチウム（トリトン）の原子核を発見し、人類が引き起こした最初の核融合となった。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]
核融合による中性子は1933年に初めて検出された。[ 11 ] この実験では、陽子を最大60万電子ボルトのエネルギーで標的に向かって加速した。[ 12 ] 1938年8月、アーサー・J・ルーリグはフィジカル・レビュー誌に重水素-三重水素核融合の観測結果を記した論文を発表した。この論文はあまり知られておらず、引用されることも少ないが、マンハッタン計画がこのプロセスを調査するきっかけとなった。[ 13 ] [ 14 ]
1939年にハンス・ベーテによって検証された理論では、太陽の中心部でのベータ崩壊と量子トンネル効果により、陽子の1つが中性子に変換され、それによって二陽子ではなく重水素が生成される可能性があることが示されました。重水素はその後、他の反応によって融合し、エネルギー出力をさらに増加させます。この研究により、ベーテは1967年のノーベル物理学賞を受賞しました。[ 1 ] [ 15 ] [ 16 ]
1938年、ピーター・トーネマンはピンチ装置の詳細な設計図を作成したが、学位論文のために他の作業をするように言われた。[ 17 ]
核融合炉に関する最初の特許は、1946年に英国原子力庁によって登録されました[ 18 ]。発明者はジョージ・パジェット・トムソン卿とモーゼス・ブラックマンでした。これはZピンチ概念の最初の詳細な検証でした。1947年から、2つの英国のチームがこの概念に基づいて実験を行いました[ 1 ] 。
人類が初めて成功させた核融合装置は、1951年の温室効果ガス実験で試験されたブースト型核分裂兵器でした。最初の真の核融合兵器は1952年のアイビー・マイクで、最初の実用的な例は1954年のキャッスル・ブラボーでした。これらの装置では、核分裂爆発によって放出されたエネルギーが燃料を圧縮・加熱し、核融合反応を開始させます。核融合によって中性子が放出されます。これらの中性子が周囲の核分裂燃料に衝突すると、原子が通常の核分裂プロセスよりもはるかに速く分裂します。これにより爆弾の有効性が向上しました。通常の核分裂兵器は燃料をすべて使い切る前に自爆しますが、核融合/核分裂兵器は燃料を無駄にしません。
1949年、亡命ドイツ人のロナルド・リヒターはアルゼンチンでヒュームル計画を提案し、1951年に良好な結果を発表した。これは後に偽りであることが判明したが、他の人々の関心を引いた。ライマン・スピッツァーは高温プラズマの閉じ込めに関する問題を解決する方法を検討し始め、Zピンチの取り組みを知らずにステラレータを考案した。スピッツァーは試験装置を建設するための資金を米国原子力委員会に申請した。
この時期、 Zピンチで英国のチームと協力したジェームズ・L・タックは、LANLの同僚にステラレーターの概念を紹介していた。スピッツァーの提案を聞いた彼は、独自のピンチマシン、パーハッサトロンを建造するために応募した。[ 1 ] [ 19 ]
スピッツァーのアイデアは資金を獲得し、彼はプロジェクト・マッターホルンの下で研究を開始した。彼の研究はプリンストン・プラズマ物理研究所（PPPL）の設立につながった。タックはLANLに戻り、自身の装置を構築するための地元の資金を調達した。この頃には、ピンチマシンは不安定性に悩まされ、進歩が停滞していることが明らかになっていた。1953年、タックらは解決策を提案し、それがZETAやSceptre装置などの第2シリーズのピンチマシンにつながった。[ 1 ]
スピッツァーの最初のマシン「A」は動作したが、次のマシン「B」は不安定性とプラズマ漏れに悩まされた。[ 20 ] [ 21 ]
1954年、AEC議長のルイス・ストラウスは、電気は「メーターで計測するには安すぎる」と予見した。[ 22 ]ストラウスはおそらく核融合発電[ 23 ] 、秘密のプロジェクト・シャーウッドの一部を指していたと思われるが、彼の発言は核分裂を指していると解釈された。AECは数か月前に議会に対して核分裂に関するより現実的な証言を発表し、「コストは…従来の電源からの電気料金とほぼ同じまで…下げることができる」と予測していた。[ 24 ]
1951年、ロスアラモス国立研究所（LANL）のエドワード・テラーとスタニスワフ・ウラムは、熱核兵器のテラー＝ウラム設計を開発し、数メガトン級の核融合爆弾の開発を可能にした。英国における核融合研究は、クラウス・フックス事件以降、機密扱いとなった。
1950年代半ば、核融合装置の性能を計算するために用いられた理論的手法は、実際の挙動を予測できていなかった。装置は例外なく、予測をはるかに上回る速度でプラズマを漏洩させていた。1954年、エドワード・テラーはプリンストン・ガン・クラブに核融合研究者を集めた。彼は問題点を指摘し、凹面磁場内にプラズマを閉じ込めるシステムは、後に交換不安定性として知られるようになる現象のために、いずれ破綻する運命にあると示唆した。出席者たちは、彼が事実上、磁場はゴムバンドのようなもので、出力が増加するたびに直線状の形状に戻ろうとしてプラズマを放出すると述べたことを覚えている。彼は、プラズマを予測可能に閉じ込める唯一の方法は、凸面磁場、すなわち「尖点」形状を用いることだと示唆した。[ 25 ] :118
会議が終了すると、ほとんどの研究者は、テラーの懸念が自分たちの装置には当てはまらない理由を説明する論文を発表した。ピンチマシンはこのような方法で磁場を使用しておらず、ミラーマシンやステラレータマシンの研究者たちは様々な解決策を提案していた。しかし、その後すぐにマーティン・デイヴィッド・クルスカルとマーティン・シュヴァルツシルトによるピンチマシンに関する論文が発表され、これらの装置の不安定性は本質的なものであることが示された。[ 25 ] :118
最も大きな「古典的な」ピンチ装置は、1957年に英国で稼働を開始したZETAである。その名称は、 ZEEPのように「ゼロエネルギー」を名称に含むことが多かった小型実験用核分裂炉をもじったものである。
1958年初頭、ジョン・コッククロフトはZETAで核融合が達成されたと発表し、この発表は世界中で大きなニュースとなった。彼は米国の物理学者たちの懸念を一蹴した。米国の実験でもすぐに同様の中性子が生成されたが、温度測定の結果、これらは核融合によるものではないことが示唆された。ZETAの中性子は後に、以前の装置を悩ませていた不安定過程の異なるバージョンによるものであることが証明された。コッククロフトは核融合の主張を撤回せざるを得なくなり、この分野全体に長年にわたって汚点を残した。ZETAは1968年に終了した。[ 1 ]
制御された熱核融合を実現する最初の実験は、1958 年に LANL の Scylla I を使用して行われました。[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] Scylla I は、重水素で満たされた円筒を備えた θ ピンチ装置でした。電流が円筒の側面を流れ、電流によって磁場が発生してプラズマがピンチされ、温度が 1500 万℃ まで上昇し、原子が融合して中性子を生成するのに十分な時間が経過しました。[ 29 ] [ 26 ] Sherwood 計画は、ロスアラモスで一連の Scylla 装置を支援しました。この計画は、1952 年 1 月に 5 人の研究者と 10 万ドルの米国資金で始まりました。[ 30 ] 1965 年までに、合計 2100 万ドルが費やされました。[ 31 ] θピンチ方式は、原子炉を製造するためにスケールアップできないことが計算で示されたため、放棄されました。
1950年から1951年にかけてソビエト連邦で、イゴール・タムとアンドレイ・サハロフが初めてトカマク型アプローチについて議論した。これらの設計に関する実験的研究は、1956年にレフ・アルツィモヴィチ率いるソビエト科学者グループによってモスクワのクルチャトフ研究所で始まった。トカマクは基本的に低出力ピンチ装置と低出力ステラレータを組み合わせたものである。その概念は、粒子が原子炉内で特定の回数（今日では「安全係数」として知られている）周回するように場を組み合わせることであった。これらの場の組み合わせにより閉じ込め時間と密度が劇的に改善され、既存の装置に比べて大幅な改善がもたらされた。[ 1 ]
1951年、米国は初のブースト型核分裂兵器の温室効果ガス実験を完了した。核分裂収率を高めるために重水素-三重水素ガスが使用された。これは人工熱核融合の最初の事例であり、核融合の最初の兵器化となった。1952年、アイビー作戦の一部であるアイビー・マイクは、液体重水素を使用して10.4メガトンのTNTを生成し、水素爆弾の最初の爆発となった。カズンズとウェアはイギリスでトロイダルピンチ装置を構築し、ピンチ装置内のプラズマが本質的に不安定であることを実証した。1953年、ソビエト連邦はRDS-6S実験（米国では「ジョー4」というコードネーム）を行い、600キロトンを生成する核分裂/核融合/核分裂（「レイヤーケーキ」）設計を実証した。イゴール・クルチャトフはハーウェルでピンチ装置について講演し[ 32 ] 、ソ連が核融合に取り組んでいることを明らかにした。
発電を目指し、日本、フランス、スウェーデンはいずれも核融合研究プログラムを開始した。
1955年、科学者のジョン・D・ローソンは、現在ローソン基準として知られる基準を考案した。これは、核融合炉が制動放射などの問題によって環境に失われるエネルギーよりも多くのエネルギーを生成するための基準である。
1956年、ソビエト連邦はプラズマ物理学に関する論文を発表し始め、その後数年間で米国と英国もそれに続いた。
Sceptre IIIのZピンチプラズマ柱は300～400マイクロ秒間安定した状態を維持し、これまでの成果を大きく上回った。研究チームは、プラズマの電気抵抗率が銅の約100倍であり、200kAの電流を500マイクロ秒間流すことができたと算出した。
1960年、ジョン・ナックルズは慣性閉じ込め核融合（ICF）の概念を発表した。同年導入されたレーザーは、適切な「駆動装置」であることが判明した。
1961年、ソビエト連邦は史上最強の熱核兵器である50 メガトンのツァーリ・ボンバの実験を行った。
スピッツァーは1963年にプリンストン大学でプラズマ物理学の重要な教科書を出版した。[ 33 ]彼は理想気体の法則をイオン化プラズマに適用し、プラズマをモデル化するために使用される多くの基本方程式を開発した。
レーザー核融合は、1962年にローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の科学者によって提唱された。当初、レーザーの出力は低かった。レーザー核融合（慣性閉じ込め核融合）の研究は、早くも1965年に始まった。
1964年の万国博覧会で、一般の人々に初めて核融合の実演が披露された。[ 34 ]その装置はゼネラル・エレクトリック社のシータピンチ装置だった。これはロスアラモスで以前に開発されたシラ装置に似ていた。
1960年代半ばまでに、世界中で進歩は停滞していた。主要な設計はいずれも、持続不可能な速度でプラズマを失っていた。ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）で開発された12ビームの「4πレーザー」による慣性閉じ込め核融合の試みは、直径約20センチメートルのガス充填ターゲットチャンバーを対象としていた。
磁気ミラーは、1967年にリチャード・F・ポストとLLNLの多くの研究者によって初めて発表されました。 [ 35 ]このミラーは、内部に強い磁場を持ち、それらの間に弱いが接続された磁場を持つように配置された2つの大きな磁石で構成されていました。2つの磁石の間の領域に導入されたプラズマは、中央の強い磁場から「跳ね返される」ことになります。
AD サハロフのグループが最初のトカマクを建設した。最も成功したのは T-3 とその大型版である T-4 である。T-4 は 1968 年にノボシビルスクで試験され、最初の準定常核融合反応を生成した。[ 36 ] :90この発表があったとき、国際社会は懐疑的だった。イギリスのチームが T-3 を視察するよう招待され、ソ連の主張を確認した。その後、多くの計画されていた装置が放棄され、代わりにトカマクが導入されるという活動が活発化した。当時、多くの設計変更を経て建設中だった C 型ステラレータは、すぐに対称型トカマクに転換された。[ 1 ]
フィロ・ファーンズワースは真空管の研究で、管内に電荷が蓄積されることを観察した。1962年、ファーンズワースは正の内側ケージを使用してプラズマを集中させ、陽子を融合させる設計の特許を取得した。[ 37 ]この頃、ロバート・L・ハーシュがファーンズワース・テレビジョン研究所に加わり、後にファーンズワース・ハーシュ・フューザーとなるものの研究を始めた。この効果はマルチパクター効果として知られるようになった。[ 38 ]ハーシュは1966年にこの設計の特許を取得し[ 39 ]、1967年に発表した。[ 40 ]
LANLではScylla IVにより、約4000万℃のプラズマ温度と1回の放電あたり10⁹回の重水素-重水素核融合反応が達成された。 [ 41 ]
1968年、ソ連はT-3トカマクの実験結果を発表し、他のどの装置よりも桁違いに高い温度を達成したと主張した。英国の研究チーム（通称「カルハム・ファイブ」）がその結果を裏付けた。この結果を受けて、プリンストン大学の研究グループをはじめとする多くのチームが、自らのステラレーターをトカマクに改造した。
プリンストン大学がモデルCステラレータをトカマクに改造したところ、ソ連と同等の結果が得られた。磁気ボトル問題の解決策が見つかったことで、プラズマのスケールアップと加熱方法を検証するための、より大型の装置の計画が始まった。
1972年、ジョン・ナックルズは核融合点火の概念を概説した[ 42 ]。これは核融合連鎖反応である。核融合中に生成された高温のヘリウムが燃料を再加熱し、さらなる反応を開始する。ナックルズの論文は、大規模な開発努力の始まりとなった。LLNLは、 Argus、Cyclops、Janus、ネオジム添加ガラス（Nd:glass）レーザーLong Path、Shivaレーザー、1984年の10ビームNovaを含むレーザーシステムを構築した。Novaは最終的に、ナノ秒パルス中に120キロジュールの赤外線を生成することになる。
英国は1976年に中央レーザー施設を建設した。 [ 43 ]
非円形プラズマ、内部ダイバータとリミッタ、超伝導磁石、安定性が向上したいわゆる「Hモード」アイランドでの運転を含む「先進トカマク」の概念が登場した。[ 44 ]他の2つの設計が注目を集めた。コンパクトトカマクは磁石を真空チャンバーの内側に配置し、[ 45 ] [ 46 ]断面積をできるだけ小さくした球形トカマクである。 [ 47 ] [ 48 ]
1974年、JBテイラーはZETAを再訪し、実験運転終了後、プラズマが短期間安定状態に入ることに気づいた。これが逆磁場ピンチの概念につながった。1974年5月1日、KMSフュージョン社（キップ・シーゲルが設立）は、重水素-三重水素ペレットで世界初のレーザー誘起核融合を達成した。[ 49 ]
対称型トカマクの後継機であるプリンストン大型トーラス（PLT）は、ソ連の最高性能の装置を凌駕し、商用原子炉に必要な温度を超える記録を打ち立てた。その後まもなく、損益分岐点達成を目標とした資金援助を受けた。
1970年代半ば、ロスアラモス国立研究所で行われたプロジェクトPACERは、地下空洞内で小型水素爆弾（核融合爆弾）を爆発させる可能性を探った。 [ 50 ] :25エネルギー源としては、このシステムは当時の技術で機能する唯一のシステムだった。しかし、経済性に疑問のある、大量の核爆弾の継続的な供給が必要だった。
1976年、2ビームのArgusレーザーがLLNLで稼働を開始した。[ 51 ] 1977年には、20ビームのShivaレーザーが完成し、ターゲットに10.2キロジュールの赤外線エネルギーを照射することができた。2500万ドルの費用 とサッカー場に匹敵する大きさのShivaは、最初のメガレーザーだった。[ 51 ]
1977年にバークレーのクレアモントホテルで開催されたワークショップで、当時エネルギー研究開発庁慣性核融合局長だったC・マーティン・スティックリー博士は、核融合エネルギーへの道のりには「障害となるものは何もない」と主張した。
米国エネルギー省は、プリンストン大学設計のトカマク型核融合試験炉（TFTR）を選定し、重水素・三重水素燃料を用いた運転という課題に取り組んだ。
ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の20ビームレーザー「Shiva」は、標的に10.2キロジュールの赤外線エネルギーを照射できるようになった。2500万ドルの費用がかかり、サッカー場をほぼ覆うほどの大きさのShivaは、LLNL初の「メガレーザー」だった。
ドイツ/米国HIBALL研究では、[ 52 ]ガルヒングはRFドライバの高い繰り返し周波数を利用して、チャンバーキャビティ内の液体リチウムを使用して4つの原子炉チャンバーに供給しました。1982年にASDEXで高閉じ込めモード（Hモード）が発見されました。
米国は1970年代後半から1980年代初頭にかけて磁気ミラープログラムに資金を提供した。このプログラムの結果、2X、 [ 53 ] :273 Baseball I、Baseball II、タンデムミラー実験とアップグレード、ミラー核融合試験施設、MFTF-Bなどの一連の磁気ミラー装置が開発された。これらの装置は1960年代後半から1980年代半ばにかけてLLNLで製造および試験された。[ 54 ] [ 55 ]最後の装置であるMFTFは3億7200 万ドルかかり、当時LLNL史上最も高額なプロジェクトであった。[ 56 ] 1986年2月21日に開設されたが、連邦予算の均衡を図るためとされる理由で、すぐに閉鎖された。[ 57 ]
レーザー核融合の進展：1983年にNOVETTEレーザーが完成した。翌12月には10ビームのNOVAレーザーが完成した。5年後、NOVAはナノ秒パルスで120キロジュールの赤外線を生成した。[ 58 ]
研究は、高速伝送またはビームの平滑化のいずれかに焦点を当てていた。どちらもエネルギー均一性の向上を目指していた。初期の課題の一つは、赤外線波長の光が燃料に到達する前にエネルギーを失ってしまうことだった。ロチェスター大学のLLEで画期的な成果が得られた。ロチェスターの科学者たちは、周波数3倍化結晶を用いて赤外線レーザービームを紫外線ビームに変換した。
1985年、ドナ・ストリックランド[ 59 ]とジェラール・ムルーは、増幅前に周波数を「チャープ」することで超短レーザーパルスを増幅する方法を発明した。この手法では、群速度分散（GVD）によってピコ秒以下のパルスの周波数成分を再構成し、パルスを時間的に1,000倍以上に引き伸ばし、ピーク強度を同じ係数で減少させる。この強度が大幅に低下し、持続時間が長くなったパルスは、レーザーの実用的な限界（例えば、光学的損傷閾値）に近い強度まで安全に増幅することができる。増幅後、群速度分散の符号が逆の光学系を用いて、パルスを元の持続時間に近い値まで再圧縮する。この1,000倍以上の時間的再圧縮は、強度が同じ係数で急上昇することを意味し、直接レーザー増幅で得られる強度よりも桁違いに強いパルスを生成する。チャープパルス増幅は、ELI Beamlines、Omega EP、その他世界中の多くのレーザーシステムを用いた高強度レーザー物質相互作用物理学の研究、および燃料圧縮と燃料加熱が部分的に分離されたプロセスとなるレーザー核融合の「高速点火」コンセプトにおいて、急速に革新的な貢献となった。[ 60 ]
LANLは一連のレーザー施設を建設した。[ 61 ]それらには、ジェミニ（2ビームシステム）、ヘリオス（8ビーム）、アンタレス（24ビーム）、オーロラ（96ビーム）が含まれる。[ 62 ] [ 63 ]このプログラムは10億ドル程度の費用をかけて90年代初頭に終了した。[ 61 ]
1987年、長谷川明[ 64 ]は、双極子磁場では、エネルギー損失なしにプラズマを圧縮する傾向があることに気づいた。この効果は、ボイジャー2号が天王星に遭遇した際に取得したデータで確認された。この観測は、浮遊双極子として知られる核融合アプローチの基礎となった。
トカマクでは、フランスのカダラッシュで1983年から1988年にかけてTore Supraが建設されました。[ 65 ]その超伝導磁石により、強力な永久トロイダル磁場を生成することができました。[ 66 ]最初のプラズマは1988年に発生しました。[ 67 ]
1983年、JETが初のプラズマ生成に成功した。1985年には、日本のトカマクJT-60が初のプラズマを生成した。1988年には、ソ連のトカマクT-15が完成し、(ヘリウム冷却)超伝導磁石を使用した最初の装置となった。[ 68 ]
1998年、超伝導ヘリウム冷却コイルを備えたソ連のトカマク型核融合装置T-15が完成した。
1984年、マーティン・ペンは[ 69 ]、コンパクトトカマクの侵食問題を回避しつつアスペクト比を大幅に低減する代替の磁石コイル配置、球形トカマクを提案した。各磁石コイルを個別に配線する代わりに、中心に1つの大きな導体を使用し、この導体から半円状に磁石を配線することを提案した。かつては原子炉の中心の穴を通る一連の個別のリングであったものが、1つの柱に縮小され、アスペクト比を1.2まで低くすることが可能になった。[ 70 ] :B247 [ 71 ] :225 STコンセプトは、トカマク設計における大きな進歩を表しているように見えた。この提案は、米国の核融合研究予算が劇的に縮小していた時期に行われた。ORNLは、「Glidcop」と呼ばれる高強度銅合金で作られた適切な中心柱を開発するための資金を受け取った。しかし、実証機を建設するための資金を確保することはできなかった。
ORNLでの試みが失敗に終わったペンは、このコンセプトに関心を持つ他のチームを募り、試験装置を建造するための世界的な取り組みを開始した。一つのアプローチは、スフェロマックを改造することだった。[ 71 ] :225ペンの提唱は、英国原子力庁のデレク・ロビンソンの関心を引いた。ロビンソンはチームを編成し、実験装置である小型タイトアスペクト比トカマク（START）を建造するために約10万ポンドの資金を確保した。装置の部品は以前のプロジェクトから再利用されたものもあれば、ORNLの40 keV中性粒子ビーム入射器など、他の研究所から借り受けたものもあった。建設は1990年に始まり、1991年1月に運転が開始された。[ 70 ] :11中性粒子ビーム入射器を使用して、記録的なベータ値（磁場圧力に対するプラズマ圧力）40%を達成した。
1991年、JETの予備トリチウム実験は、世界で初めて核融合エネルギーの制御放出に成功した。[ 72 ]
1992年、Physics Today誌は、Robert McCoryによるICFの現状の概要を掲載し、国立点火施設の建設を提唱した。[ 73 ]これに続き、1995年にはJohn Lindlによるレビュー記事が掲載され、[ 74 ]同じ点を指摘した。この間、ターゲット製造、極低温処理システム、新しいレーザー設計（特にNRLのNIKEレーザー）、飛行時間分析器やトムソン散乱などの改良された診断など、さまざまなICFサブシステムが開発された。この作業は、 NOVAレーザーシステム、General Atomics、Laser Mégajoule、および日本のGEKKO XIIシステムで行われた。この作業と、核融合発電協会やNRLのJohn Sethianなどのグループによるロビー活動により、議会は90年代後半にNIFプロジェクトへの資金提供を承認した。
1992年、アメリカ合衆国と旧ソビエト連邦構成共和国は核兵器実験を停止した。
1993年、 PPPLのTFTRは重水素50％ 、三重水素50％の混合ガスを用いた実験を行い、最終的に10メガワットの出力を達成した。
1990年代初頭、フューザーとポリウェルに関する理論と実験的研究が発表された。[ 75 ] [ 76 ]これに対し、MITのトッド・ライダーはこれらの装置の一般モデルを開発し、[ 77 ]熱力学的平衡状態にあるすべてのプラズマシステムは根本的に制限されていると主張した。1995年、ウィリアム・ネビンズは批判を発表し、[ 78 ]フューザーとポリウェル内の粒子が角運動量を獲得し、高密度コアが劣化すると主張した。
1995年、ウィスコンシン大学マディソン校は、HOMERとして知られる大型フューザーを構築した。[ 79 ]イリノイ大学のジョージ・H・マイリー博士は、重水素を使用して中性子を生成する小型フューザーを構築し[ 80 ] [ 81 ]、フューザー動作の「スターモード」を発見した。この頃、ヨーロッパでは、ダイムラー・クライスラーとNSD Fusionによって、IECデバイスが商用中性子源として開発された。[ 82 ] [ 83 ]
翌年、Tore Supraは、アクティブ冷却されたプラズマ対向コンポーネントによって可能になった、2.3 MWの低域ハイブリッド周波数波によって非誘導的に駆動されるほぼ1 Mアンペアの電流で、2分間の記録的なプラズマ持続時間を達成した（つまり、280 MJの注入および抽出エネルギー）。[ 65 ] [ 84 ]
改良されたZマシンは1998年8月に一般公開された。[ 85 ]主な特徴は、1800万アンペアの電流と100ナノ秒 未満の放電時間であった。[ 86 ]これにより、大きなオイルタンク内で磁気パルスが発生し、ライナー（タングステンワイヤーのアレイ）に衝突した。[ 87 ] Zマシンの作動は、高エネルギー、高温（20億度）条件をテストする方法となった。[ 88 ] 1996年。
1997年、JETは16.1MW （プラズマへの熱の65% [ 89 ]）に達し、 0.5秒以上にわたって10MW以上を維持した。2020年現在、これは記録的な出力レベルのままである。アルファ粒子の自己加熱は 4メガワットに達した。
ITERは、7者コンソーシアム（6カ国とEU）の一部として正式に発表された。ITERは、入力電力の10倍の核融合出力を生成するように設計されていた。ITERはカダラッシュに建設された。[ 90 ]米国は1999年にこのプロジェクトから撤退した。
JT-60は、同等の核融合増幅係数を持つ逆せん断プラズマを生成した。1.25メートルという記録は、2021年時点では世界記録のままだった。
1990年代後半、コロンビア大学とMITのチームは、超伝導電磁石が円盤状の真空チャンバー内に浮かぶ核融合装置である浮遊双極子を開発した[ 91 ] [ 92 ] 。プラズマはこのドーナツ状の物体の周りを渦巻き、中心軸に沿って核融合を起こした[ 93 ] 。
「高速点火」[ 98 ] [ 99 ]は、LLEが2008年に完成したオメガEPシステムの構築を推進する一環として、90年代後半に登場しました。高速点火は劇的な電力節約を実現し、ICFをエネルギー生産競争に参入させました。HiPER実験施設は高速点火に特化しました。
2001年、米国、中国、韓国がITERに加盟したが、カナダは脱退した。
2005年4月、UCLAの研究チームは[ 100 ]、「実験台に収まる」装置を用いて核融合を起こす方法を発表した。この方法では、タンタル酸リチウムを用いて重水素を融合させるのに十分な電圧を発生させる。このプロセスでは正味の電力は発生しなかった。
翌年、中国のEAST試験炉が完成した。[ 101 ]これは、トロイダル磁場とポロイダル磁場の両方を生成するために超伝導磁石を使用した最初のトカマクであった。
2000年代初頭、LANLの研究者らは、振動プラズマが局所的な熱力学的平衡に達する可能性があると主張した。これがPOPSおよびペニングトラップの設計につながった。[ 102 ] [ 103 ]
2005年、NIFは8本のビームからなる最初の束を発射し、当時としては最も強力なレーザーパルスである152.8kJ（赤外線）を達成した。
MITの研究者たちは宇宙推進用のフューザーに興味を持ち、複数の内部ケージを持つフューザーを使用しました。[ 104 ]グレッグ・ピーファーはフェニックス・ニュークリア・ラボを設立し、フューザーを医療用同位体製造用のニュートロン源に発展させました。[ 106 ]ロバート・バサードは2006年にポリウェルについて公に話し始めました。[ 107 ] [ 108 ]
2009年3月、NIFは稼働を開始した。[ 109 ]
2000年代初頭、民間の支援を受けた核融合企業が商業用核融合発電の開発に着手した。[ 110 ] 1998年に設立されたTri Alpha Energyは、磁場反転構成アプローチの検討から始めた。[ 111 ] [ 112 ] 2002年、カナダのGeneral Fusion社は、磁気ターゲット核融合と呼ばれるハイブリッド磁気慣性アプローチに基づく概念実証実験を開始した。[ 111 ] [ 110 ]投資家には、ジェフ・ベゾス（General Fusion）とポール・アレン（Tri Alpha Energy）が含まれていた。[ 111 ] 10年代後半には、Tokamak Energy社が再結合を利用した球形トカマク装置の検討を開始した。[ 113 ]
2010年代には、民間および公共の研究活動が加速した。
2017年、General Fusion社はプラズマインジェクター技術を開発し、Tri Alpha Energy社はC-2U装置を建設・運用した。[ 115 ] 2014年8月、Phoenix Nuclear Labs社は、24時間にわたって毎秒5× 10¹¹回の重水素核融合反応を維持できる高出力中性子発生器の販売を発表した。 [ 116 ]
2014年10月、ロッキード・マーティンのスカンクワークスは、高ベータ核融合炉であるコンパクト核融合炉の開発を発表した。[ 117 ] [ 118 ] [ 119 ]
2015年1月、ポリウェルがマイクロソフトリサーチで発表された。[ 120 ] TAE Technologiesは、ノーマンリアクターがプラズマを実現したと発表した。[ 121 ]
2018年、EniはMITと共同で試験炉（SPARC ）を使用してARC技術を商業化するために、Commonwealth Fusion Systems に5,000万ドルの投資を行うと発表した。 [ 123 ] [ 124 ] [ 125 ] [ 126 ]この原子炉は、イットリウムバリウム銅酸化物（YBCO）高温超伝導磁石技術を採用する予定だった。Commonwealth Fusion Systemsは2021年に20T磁石の試験に成功し、世界最強の高温超伝導磁石となった。20T磁石の成功を受けて、CFSは民間投資家から18億ドルを調達した。
General Fusionは70%スケールのデモシステムの開発を開始した。[ 71 ] 2018年にはTAE Technologiesの原子炉が2000万℃近くに達した。[ 127 ]
2010年、NIFの研究者たちは、核融合燃料を用いた高エネルギー点火実験に最適なターゲット設計とレーザーパラメータを決定するために、一連の「調整」ショットを実施した。[ 128 ] [ 129 ] 2013年9月には、燃料の正味エネルギー増加[ 130 ] [ 131 ]が達成された。 [ 132 ] [ 133 ]
2014年4月、LLNLはレーザー慣性核融合エネルギー（LIFE）プログラムを終了し、NIFに注力するようになった。[ 134 ]
2012年の論文では、高密度プラズマ焦点がホウ素核融合 に十分な18億℃の温度に達し、核融合反応は主に閉じ込められたプラズモイド内で発生し、正味の電力に必要なことが実証された。[ 135 ]
2014年8月、MITはARC核融合炉と名付けたトカマクを発表し、希土類バリウム銅酸化物（REBCO）超伝導テープを使用して高磁場コイルを構築し、他の設計よりも小型の構成で同等の磁場強度を生成すると主張した。[ 136 ]
2015年10月、マックス・プランク・プラズマ物理研究所の研究者たちは、当時最大のステラレータであるヴェンデルシュタイン7-Xの建設を完了した。12月には初のヘリウムプラズマを生成し、2016年2月には水素プラズマを生成した。[ 137 ]
2014年、EASTは熱分散の改善により、高閉じ込めモード（Hモード）でのプラズマの閉じ込め時間を30秒にまで短縮し、記録を達成しました。これは他の原子炉と比較して桁違いの改善でした。[ 138 ] 2017年には、安定した定常状態の高閉じ込めプラズマを101.2秒維持し、長パルスHモード運転の世界記録を樹立しました。[ 139 ]
2018年、MITの科学者たちは、より大きく長いダイバータを介して小型核融合炉から余分な熱を除去する理論的な方法を考案した。[ 140 ]
2019年、英国は2040年代初頭までに球形トカマク型エネルギー生産装置（STEP）と呼ばれる核融合施設の設計を行うために2億ポンド（2億4800万米ドル）の投資を計画していると発表した。[ 141 ] [ 142 ]
2020年12月、中国の実験用核融合炉HL-2Mが初のプラズマ放電を達成した。[ 143 ] 2021年5月、実験用先進超伝導トカマク（EAST）は、120 M°Cの温度を101秒間維持し、160 M°Cのピークを20秒間維持するという、超高温プラズマの世界新記録を発表した。[ 144 ] 2021年12月、EASTは高温（70 M°C [ 145 ]）プラズマの世界新記録を1,056秒間樹立した。[ 146 ]
2020年、シェブロン社は、英国の起業家兼投資家であるベンジ・コンウェイがワシントン大学の物理学者ブライアン・ネルソンとウリ・シュムラックと共に共同設立したスタートアップ企業Zap Energyへの投資を発表した。[ 147 ] 2021年、同社はAddition主導のシリーズB資金調達で2750万ドルを調達した。[ 148 ]
2021年、米国エネルギー省は、PPPL、MITプラズマ科学・核融合センター、コモンウェルス・フュージョン・システムズとのパートナーシップ[ 149 ] 、TAEテクノロジーズ、プリンストン・フュージョン・システムズ、トカマク・エナジーとのパートナーシップ[ 150 ]を含む官民連携の知識共有イニシアチブであるINFUSEプログラムを開始しました。2021年、エネルギー省の核融合エネルギー科学諮問委員会は、カナダ、中国、英国の取り組みと同様に、2040年までに稼働する発電所を含む核融合エネルギーとプラズマ物理学の研究を導く戦略計画を承認しました[ 151 ] [ 152 ] [ 153 ] [ 154 ] [ 155 ] 。
2021年1月、SuperOxは700A/mm2を超える電流容量を持つ新しい超電導線の商用化を発表した。[ 156 ] [ 157 ]
TAE Technologies社は、同社のノーマン装置が約6000万℃の温度を30ミリ秒間維持できたと発表した。これは同社の従来装置と比べてそれぞれ8倍と10倍高い値である。ただし、この持続時間は装置自体の性能ではなく、電源供給能力によって制限されているとしている。
2021年8月、国立点火施設は核融合によって生成された1.3メガジュールのエネルギーの記録を更新し、これは実験室でローソン基準を超えた最初の例となった。 [ 158 ]
2022年2月、JETは重水素と三重水素の混合燃料を使用し、5秒以上にわたって11MWの出力と0.33のQ値を維持し、59.7メガジュールを出力した。[ 159 ] 2022年3月、トカマク・エナジー社が商用小型トカマク内で1億ケルビンの記録的なプラズマ温度を達成したと発表された。[ 160 ]
2022年10月、韓国超伝導トカマク先進研究（KSTAR）は、ELMレスHモード、すなわち高速イオン制御強化（FIRE）モードのための統合リアルタイムRMP制御[162][163]、機械学習アルゴリズム、およびエッジ局所化RMPによる3D磁場最適化に基づいて、1億度を超える高温核融合プラズマを維持し、45秒の記録的なプラズマ持続時間を達成しました。[ 161 ]
2022年12月、NIFはエネルギー利得1.5で初の科学的ブレークイーブン制御核融合実験を達成した。[ 164 ] [ 165 ]
2024年2月、KSTARトカマクは、磁気閉じ込めプラズマの最長持続時間（102秒）の新記録（ショット番号34705）を樹立した。プラズマはHモードで動作し、以前よりも誤差場の制御がはるかに向上した。KSTARはまた、摂氏1億度での最長定常状態持続時間（48秒、ELM-LESS FIREモード）の記録（ショット番号34445）も樹立した。[ 166 ] [ 167 ] [ 168 ]
{{cite book}}: CS1メンテナンス: 場所の発行元が見つかりません (リンク){{cite book}}: CS1メンテナンス: 場所の発行元が見つかりません (リンク){{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)12月5日にローレンス・リバモア国立研究所で行われたこの実験は、エネルギー利得を生み出した史上初の制御された核融合反応である。