慣性閉じ込め核融合

慣性閉じ込め核融合（ICF ）は、燃料を充填したターゲットを圧縮して加熱することで核融合反応を開始する核融合エネルギープロセスです。ターゲットは小さなペレットで、通常は重水素（^2H）と三重水素（^3H） が含まれています。

エネルギーはターゲットの外層に蓄積され、外側に爆発します。これにより、ターゲットを通過する衝撃波の形で反作用力が生成されます。波はターゲットを圧縮して加熱します。十分に強力な衝撃波は燃料の融合を引き起こします。

ICF は核融合エネルギー研究の 2 つの主要分野のうちの 1 つで、もう 1 つは磁気閉じ込め核融合(MCF) です。1970 年代初頭に初めて提案されたとき、ICF は電力生産の実用的なアプローチであるように思われ、この分野は盛んになりました。実験により、これらの装置の効率は予想よりもはるかに低いことが示されました。1980 年代から 90 年代にかけて、高強度レーザー光とプラズマの相互作用を理解するための実験が行われました。これにより、点火エネルギーを生成するはるかに大型の装置が設計されました。

最大の稼働中のICF実験は、米国の国立点火施設（NIF）です。2022年にNIFは核融合を起こし、2.05メガジュール（MJ）のエネルギーをターゲットに送り、3.15MJを生成しました。これはICF装置がターゲットに供給されたエネルギーよりも多くのエネルギーを生成した初めてのケースでした。^{[1] [2]}

核融合反応は、小さな原子を結合して大きな原子を形成する。これは、2つの原子（またはイオン、電子を剥ぎ取られた原子）が互いに十分接近し、それらを引き離す静電気力よりも核力が優位になったときに起こる。静電気反発を克服するには、クーロン障壁または核融合障壁を克服するのに十分な運動エネルギーが必要である。^[3]

軽い原子核は電荷が少なく障壁エネルギーが低いため、核融合に必要なエネルギーは少なくて済みます。したがって、障壁は水素に対して最も低くなります。逆に、核力は核子の数とともに増加するため、追加の中性子を含む水素同位体は必要なエネルギーを減らします。最も簡単な燃料は、DTとして知られる^2Hと^3Hの混合物です。^[3]

核融合が起こる確率は、燃料の密度と温度、および密度と温度が維持される時間の長さの関数です。理想的な条件下でも、DとTのペアが核融合する可能性は非常に小さいです。密度が高く時間が長いほど、原子間の遭遇が多くなります。この断面積は、個々のイオンのエネルギーにさらに依存します。この組み合わせ、核融合三重積は、点火に達するためにローソン基準に達する必要があります。^[4]

最初の ICF 装置は、1950 年代初頭に発明された水素爆弾でした。水素爆弾は、1 つのケースに 2 つの爆弾が入っています。最初の一次段階は、通常プルトニウムを使用する核分裂動力装置です。爆発すると、特別に設計された爆弾ケースの内部を満たす熱 X 線のバーストを放出します。これらの X 線は、主に核融合燃料で構成される二次段階を囲む特殊な材料によって吸収されます。X 線はこの材料を加熱し、爆発を引き起こします。ニュートンの第 3 法則により、内部の燃料が内側に押し出され、圧縮されて加熱されます。これにより、核融合燃料は核融合反応が始まる温度と密度に達します。^{[5] [6]}

DT 燃料の場合、エネルギーのほとんどはアルファ粒子と中性子の形で放出されます。通常の状態では、アルファ粒子は燃料中を約 10 mm 移動できますが、圧縮された燃料の超高密度状態では、電荷が周囲のプラズマと相互作用して速度を失う前に、約 0.01 mm 移動できます。^[7]これは、アルファ粒子によって放出されたエネルギーの大部分が燃料に再蓄積されることを意味します。この運動エネルギーの伝達により、周囲の粒子が核融合に必要なエネルギーまで加熱されます。このプロセスにより、核融合燃料は中心から外側に向かって燃焼します。電気的に中性な中性子は、燃料塊内をより長い距離移動し、この自己加熱プロセスには寄与しません。爆弾では、代わりにリチウム重水素燃料の反応を通じてトリチウムを生成するか、または爆弾ケースの一部であることが多い第 2 段階の周囲の追加の核分裂性燃料を分裂させるために使用されます。^[5]

核分裂爆弾によって反応を起こさなければならないという要件により、この方法は発電には実用的ではない。核分裂トリガーの製造コストが高いだけでなく、そのような爆弾の最小サイズは、使用されるプルトニウム燃料の臨界質量によってほぼ定義される大きなサイズである。一般的に、約 1 キロトンよりはるかに小さい出力の効率的な核融合装置を構築することは困難であるように思われ、核融合二次反応によってこの出力がさらに増加する。このため、結果として生じる爆発から電力を取り出すことは難しい工学上の問題となる。PACERプロジェクトでは、工学上の問題の解決策が研究されたが^[6]、経済的に実現可能ではないことも実証された。爆弾のコストは、結果として生じる電力の価値をはるかに上回っていた。^[8]

クーロン障壁を克服するために必要なエネルギーは、1億Kに加熱されたガス中の平均的な粒子のエネルギーに相当します。水素の比熱は1グラムKあたり約14ジュールなので、1ミリグラムの燃料ペレットを考えると、質量全体をこの温度まで上げるために必要なエネルギーは1.4メガジュール（MJ）です。^[9]

より広く開発されている磁気核融合エネルギー(MFE) アプローチでは、閉じ込め時間は 1 秒程度です。ただし、プラズマは数分間持続できます。この場合、閉じ込め時間は、さまざまなメカニズムを通じて、反応からのエネルギーが環境に失われるのにかかる時間を表します。1 秒間の閉じ込めの場合、ローソン基準を満たすために必要な密度は、立方センチメートル (cc) あたり約 10 ^{14粒子です。 [9]}比較すると、海面の空気には約 2.7 x 10 ¹⁹粒子/cc があるため、MFE アプローチは「良好な真空」と説明されています。

DT燃料の1ミリグラムの液滴を液体で考えると、大きさは約1mm、密度は約4 x 10 ²⁰ /ccです。燃料をまとめているものは何もありません。核融合反応によって発生した熱により、燃料は音速で膨張し、閉じ込め時間は約2 x 10 ⁻¹⁰秒になります。液体密度では、必要な閉じ込め時間は約2 x 10 ⁻⁷秒です。この場合、液滴が爆発する前に燃料の約0.1％だけが融合します。^[10]

核融合反応の速度は密度の関数であり、密度は圧縮によって改善できる。液滴の直径が 1 mm から 0.1 mm に圧縮されると、閉じ込め時間も同じく 10 分の 1 に短縮される。これは、粒子が逃げる前に移動する距離が短くなるためである。しかし、密度は寸法の 3 乗であり、1,000 倍に増加する。つまり、核融合の全体的な速度は 1,000 倍に増加するが、閉じ込めは 10 分の 1 に短縮され、100 倍の改善となる。この場合、燃料の 10% が核融合し、1 mg の燃料の 10% が約 30 MJ のエネルギーを生成する。これは、その密度に圧縮するのに必要な量の 30 倍である。^[11]

ICF のもう 1 つの重要な概念は、燃料全体を 1 億 K まで上げる必要がないことです。核融合爆弾では、内部で放出されたアルファ粒子が周囲の燃料を加熱するため、反応が継続します。液体の密度では、アルファ粒子は約 10 mm 移動するため、そのエネルギーは燃料から逃げます。0.1 mm の圧縮燃料では、アルファ粒子の飛程は約 0.016 mm であり、燃料内で止まって燃料を加熱することを意味します。この場合、燃料の中心部のみを必要な温度まで加熱することで、「伝播燃焼」を引き起こすことができます。これにははるかに少ないエネルギーしか必要ありません。計算によると、圧縮目標に達するには 1 kJ で十分です。^[12]

燃料が圧縮され密度が十分に高い状態で内部を溶融温度まで加熱するための何らかの方法が必要です。^[12]現代のICF装置では、圧縮された燃料混合物の密度は水の密度の1000倍、または鉛の密度の100倍で、約1000 g/cm ^{3 です}。^[13] 1970年代以降の研究の多くは、燃焼を開始する中央のホットスポットを作成する方法と、目的の密度に到達する際の多くの実際的な問題に対処することに費やされてきました。

初期の計算では、燃料を点火するために必要なエネルギー量は非常に小さいことが示唆されていましたが、これはその後の経験と一致しませんでした。

加熱問題に対する最初の解決策は、エネルギー供給を意図的に「形作る」ことでした。そのアイデアは、カプセルを気化させて圧縮するために最初に低エネルギーのパルスを使用し、次に圧縮サイクルの終わり近くに非常に短く強力なパルスを使用するというものでした。目標は、圧縮された燃料に衝撃波を発射し、それが中心に向かって内側に移動するということです。衝撃波が中心に到達すると、他の側から入ってくる波と出会います。これにより、中心の密度が 800 g/cm ³を超える非常に高い値に達する短い期間が発生します。^[14]

中央ホットスポット点火の概念は、ICF が核融合への実用的な方法であるだけでなく、比較的単純であることを初めて示唆した。これにより、1970 年代初頭に実用的なシステムを構築するための多くの取り組みが行われた。これらの実験により、予想外の損失メカニズムが明らかになった。初期の計算では約 4.5x10 ⁷  J/g が必要であると示唆されていたが、最近の計算では 10 ⁸  J/g に近い値になっている。理解が深まるにつれて、パルスを複数の時間間隔に複雑に成形できるようになった。^[15]

高速点火方式では、別のレーザーを使用して燃料の中心部に直接追加のエネルギーを供給します。これは機械的に行うことができ、多くの場合、燃料ペレットの外側の壁を小さな金属コーンで突き刺してエネルギーを中心部に注入します。テストでは、この方式は失敗しました^[要出典]。レーザーパルスが正確なタイミングで中心部に到達する必要があり、中心部は圧縮パルスからの破片と自由電子で隠されていたためです。また、2 番目のレーザーパルスが必要になるという欠点もあり、これには通常、完全に別のレーザーが必要です。

ショック点火は、ホットスポット技術と概念的に似ていますが、圧縮加熱によって点火するのではなく、圧縮とショック加熱の組み合わせによって、後で強力な衝撃波が燃料に送られます。これにより、プロセスの効率が向上し、必要な全体的な電力量が削減されます。

慣性閉じ込めの最も単純な方法では、燃料は球状に配置されます。これにより、燃料はすべての側面から均一に圧縮されます。内向きの力を発生させるために、燃料は薄いカプセル内に配置され、駆動ビームからのエネルギーを吸収して、カプセルの殻を外側に爆発させます。カプセルの殻は通常、軽量プラスチックで作られ、ガス燃料を殻に注入して凍結させることで、燃料は内側に層として堆積されます。

駆動ビームを燃料カプセルに直接照射することを「ダイレクト ドライブ」といいます。レイリー テイラー不安定性や類似の効果による非対称性を回避するには、爆縮プロセスが極めて均一でなければなりません。1 MJ のビーム エネルギーの場合、これらの効果によって爆縮の対称性が崩れる前に、燃料カプセルは約 2 mm より大きくすることはできません。このため、レーザー ビームのサイズは直径が非常に狭くなり、実際に実現するのは困難です。

あるいは、「間接駆動」では、ホーラウムと呼ばれる、金や鉛などの重金属の小さな円筒を照射します。ビームエネルギーはホーラウムを加熱し、X 線を放出します。これらの X 線はホーラウムの内部を満たし、カプセルを加熱します。間接駆動の利点は、ビームを大きくでき、精度を低くできることです。欠点は、送達されたエネルギーの多くがホーラウムを「X 線高温」になるまで加熱するために使用されるため、エンドツーエンドのエネルギー効率が直接駆動方式よりも大幅に低くなることです。

ICF パフォーマンスの向上における主な課題は次のとおりです。

• ターゲットに届けられるエネルギーの向上
• 燃料の内破の対称性を制御する
• 十分な密度が達成されるまで燃料の加熱を遅らせる
• 流体力学的不安定性による高温燃料と低温燃料の早期混合を防ぐ
• 燃料中心部での衝撃波収束の実現

衝撃波をターゲットの中心に集中させるには、ターゲットを非常に高い精度と球形で作成し、その表面（内側と外側）の許容誤差を数マイクロメートル以下に抑える必要があります。レーザーは空間と時間で正確にターゲットを絞る必要があります。ビームのタイミングは比較的簡単で、ビームの光路に遅延線を使用してピコ秒の精度を実現することで解決されます。もう一つの大きな問題は、いわゆる「ビーム-ビーム」不均衡とビーム異方性です。これらの問題は、それぞれ、1 つのビームによって伝達されるエネルギーが、衝突する他のビームよりも高いか低い場合と、ターゲットに当たるビーム直径内の「ホット スポット」がターゲット表面に不均一な圧縮を引き起こし、それによって燃料にレイリー-テイラー不安定性^[16]が形成され、燃料が早期に混合され、最大圧縮の瞬間に加熱効率が低下する場合です。リヒトマイヤー-メシュコフ不安定性も、衝撃波によってプロセス中に形成されます。

これらの問題はビーム平滑化技術とビームエネルギー診断によって軽減されているが、RT不安定性は依然として大きな問題である。現代の極低温水素氷ターゲットは、シェルの内側に薄い重水素層を凍結させ、低出力赤外線レーザーを照射して内面を平滑にし、顕微鏡付きカメラで監視することで、層を詳細に監視できるようになっている。^[18] DTで満たされた極低温ターゲットは、トリチウム崩壊によって生じる少量の熱により「自己平滑化」する。これは「ベータ層化」と呼ばれる。^[19]

間接駆動アプローチ^[20]では、ターゲットによる熱X線の吸収は、レーザー光の直接吸収よりも効率的です。しかし、空洞は加熱するためにかなりのエネルギーを消費するため、エネルギー伝達効率が大幅に低下します。ほとんどの場合、間接駆動空洞ターゲットは、兵器内の核融合燃料も主にX線放射によって爆縮されるという事実により、 熱核兵器テストをシミュレートするために使用されます。

ICF ドライバーは進化しています。レーザーは、主にネオジム ガラスアンプからの周波数 2 倍または 3 倍の光を使用して、数ジュールおよび数キロワットからメガジュールおよび数百テラワットに拡大しました。^{[引用が必要]}

重イオンビームは、生成、制御、および集中が容易なため、商業的な生成に特に興味深いものです。しかし、ターゲットを効率的に爆縮するために必要なエネルギー密度を達成することは難しく、ほとんどのイオンビーム システムでは、照射を平滑化するためにターゲットを囲む空洞を使用する必要があります。^{[引用が必要]}

ICFの歴史は、1957年の「平和のための原子力」会議の一環として始まりました。これは、米国とソ連の間で行われた国連主催の国際会議でした。水素爆弾を使用して水を満たした洞窟を加熱するというアイデアがいくつか出されました。生成された蒸気は、従来の発電機に動力を与え、電力を供給するために使用されました。^[6]

この会議は、1957年6月に結成され、1961年に正式に命名されたプラウシェア作戦につながった。この作戦には、PACER計画によるエネルギー生成、掘削のための核爆発の利用、天然ガス産業における水圧破砕の3つの主要概念が含まれていた。PACERは、1961年12月にニューメキシコ州の岩塩層で3ktのノーム計画装置が爆発した際に直接テストされた。報道陣が見守る中、テストサイトから少し離れた場所にある掘削シャフトから放射性蒸気が放出された。さらなる研究で、天然の空洞に代わる人工空洞が設計されたが、プラウシェアは、特に1962年のセダンが失敗して大量の放射性降下物を出した後に、悪化の一途をたどった。PACERは1975年まで資金提供を受け続けたが、その年、第三者による調査でPACERからの電力コストは従来の原子力発電所の10倍になることが実証された。^[21]

アトムズ・フォー・ピースのもうひとつの成果は、燃料の質量が減ると爆弾の核融合側で何が起こるかを考えるようジョン・ナッコルズに促したことだ。この研究は、ミリグラム単位の大きさであれば、燃料を点火するのに必要なエネルギーはわずかで、核分裂一次爆弾よりもはるかに少ないことを示唆した。 ^[6]彼は、空洞の中心に吊るされた小さなDT燃料の滴を使って、実質的に小さな完全核融合爆弾を作ることを提案した。この殻は、水素爆弾の爆弾ケースと同じ効果をもたらし、内部にX線を閉じ込めて燃料を照射する。主な違いは、X線が外部装置によって供給され、殻がX線領域で輝くまで外側から加熱される点である。電力は、当時は正体不明だったパルス電源によって供給される。彼はこれを爆弾用語で「一次」と呼んだ。^[22]

この方式の主な利点は、高密度での核融合効率です。ローソン基準によれば、DT燃料を周囲圧力でブレークイーブン条件まで加熱するために必要なエネルギー量は、同じ核融合率を実現する圧力まで圧縮するために必要なエネルギーの100倍程度です。したがって、理論的には、ICFアプローチは劇的に多くの利益をもたらす可能性があります。^{[22]これは、}磁気核融合エネルギーの場合のように、燃料がゆっくりと加熱される従来のシナリオでのエネルギー損失を考えると理解できます。環境へのエネルギー損失率は、燃料とその周囲の温度差に基づいており、燃料温度が上昇するにつれて増加し続けます。ICFの場合、空洞全体が高温の放射で満たされているため、損失が制限されます。^[23]

1956年、ドイツのマックス・プランク研究所で核融合の先駆者であるカール・フリードリヒ・フォン・ヴァイツゼッカーが会議を主催した。この会議でフリードヴァルト・ヴィンターベルクは高性能爆薬による収束衝撃波による非核分裂の熱核マイクロ爆発の点火を提案した。^[24]ヴィンターベルクのドイツでの核マイクロ爆発（ミニニューク）に関する研究に関するさらなる言及は、旧東ドイツ国家保安省（Staatsicherheitsdienst）の機密解除された報告書に記載されている。^[25]

1964年、ウィンターバーグは、1000 km/sの速度まで加速された強力な微粒子ビームによって点火が達成できると提案しました。^{[26] 1968年には、}マルクスジェネレータによって生成された強力な電子ビームとイオンビームを同じ目的で使用することを提案しました。^[27]この提案の利点は、荷電粒子ビームがレーザービームよりも安価であるだけでなく、強力な自己磁場ビームにより荷電核融合反応生成物を閉じ込めることができるため、ビーム点火円筒形ターゲットの圧縮要件が大幅に削減されることです。

1967年、研究員のグルゲン・アスカリヤンは、重水素化リチウムまたは重水素の核融合に焦点を合わせたレーザービームの使用を提案する論文を発表しました。 ^[28]

1950年代後半、ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の協力者たちはICFコンセプトのコンピュータシミュレーションを完了した。1960年初頭、彼らは高密度シェル内で1mgのDT燃料が爆縮する完全なシミュレーションを実行した。シミュレーションでは、空洞に5MJの電力を入力すると、50MJの核融合出力が生成され、10倍のゲインが得られることが示された。これは、レーザーや、パルスパワーマシン、荷電粒子加速器、プラズマ銃、超高速ペレット銃など、他のさまざまな駆動源が検討される前のことだった。^[29]

2 つの理論的進歩がこの分野を前進させた。1 つは、パルスで供給されるエネルギーのタイミングを考慮した新しいシミュレーションによるもので、「パルス シェーピング」と呼ばれ、より優れた爆縮につながる。2 つ目は、シェルをはるかに大きく薄くして、ほぼ固体のボールではなく薄いシェルを形成することである。この 2 つの変更により、爆縮効率が劇的に向上し、必要な圧縮エネルギーが大幅に低下した。これらの改善により、約 1 MJ のドライバーが必要になると計算された。 ^[30]これは 5 分の 1 の削減である。その後 2 年間で、他の理論的進歩が提案された。特に、レイ キダーによる空洞のない爆縮システムの開発、いわゆる「直接駆動」アプローチ、およびスターリング コルゲートとロン ザバウスキーによる 1 μg の DT 燃料を使用したシステムに関する研究である。^[31]

1960年にカリフォルニアのヒューズ研究所でレーザーが導入され、完璧な駆動機構が実現したように見えた。しかし、これらの装置によって生成される最大出力は非常に限られており、必要とされる出力をはるかに下回っていた。この問題は、ゴードン・グールドがQスイッチングを導入し、1961年にヒューズ研究所でレーザーに適用されたことで解決された。Qスイッチングにより、レーザー増幅器を非常に高いエネルギーに励起することができ、誘導放出を開始することなく、その後、小さなシード信号を導入することで、このエネルギーをバーストで放出することができる。この技術により、レーザー出力の制限はICFに有用な領域に十分収まったように見えた。^[32]

1962年から、^[a]リバモア研究所所長のジョン・S・フォスター・ジュニアとエドワード・テラーは小規模なICFレーザー研究を開始しました。この初期段階でもICFが兵器研究に適していることは十分に理解されており、それが資金提供の主な理由でもありました。^[33]その後10年間で、LLNLはレーザーとプラズマの基本的な相互作用研究のための小型実験装置を製作しました。

1967年、キップ・シーゲルはKMSインダストリーズを設立した。1970年代初頭、彼はレーザーベースのICF​​システムの開発を開始するためにKMSフュージョンを設立した。 ^[34]この開発は、LLNLを含む兵器研究所からのかなりの反対を招いた。彼らは、KMSがICFを公に開発するべきではないというさまざまな理由を挙げた。この反対は、資金を管理する原子力委員会を通じて伝えられた。背景雑音に加えて、ソ連の積極的なICF計画、新しい高出力CO2およびガラスレーザー、電子ビームドライバーのコンセプト、そして多くのエネルギープロジェクトに弾みをつけたエネルギー危機の噂があっ_た。[ 33 ^]

1972年にジョン・ナッコルズはICFを紹介する論文を書き、テストベッドシステムではkJ範囲のドライバーで核融合を生成でき、高利得システムではMJドライバーで生成できると示唆した。^{[35] [36]}

限られた資源とビジネス上の問題にもかかわらず、KMSフュージョンは1974年5月1日にIFC核融合の実証に成功しました。 ^[37]この成功の直後にシーゲルは亡くなり、KMSフュージョンは1年後に終了しました。^[34]この時点で、いくつかの兵器研究所と大学が独自のプログラムを開始しており、特にLLNLとロチェスター大学の固体レーザー（Nd：ガラスレーザー） 、ロスアラモスと海軍研究所のクリプトンフッ化物エキシマレーザーシステムが有名です。

高エネルギー ICF 実験 (1 ショットあたり数百ジュール) は、より優れたレーザーが登場した 1970 年代初頭に始まりました。核融合研究への資金提供はエネルギー危機によって刺激され、性能が急速に向上し、慣性設計はすぐに最高の MCF システムと同じ「損益分岐点以下」の状態に到達しました。

特に、LLNL は資金が潤沢で、レーザー核融合開発プログラムを開始した。同研究所のJanus レーザーは1974 年に運用を開始し、高出力装置に Nd:ガラス レーザーを使用するアプローチを実証した。Long pathレーザーとCyclops レーザーで焦点合わせの問題が検討され、より大型のArgus レーザーが開発された。これらのいずれも実用化を意図したものではなかったが、アプローチが有効であるという確信が高まった。当時は、Cyclops タイプのはるかに大型の装置でターゲットを圧縮および加熱して点火できると考えられていた。この誤解は、いわゆる「爆発プッシャー」燃料カプセルを使用した実験で確認された核融合収量の外挿に基づいていた。1970 年代後半から 1980 年代前半にかけて、プラズマの不安定性とレーザーとプラズマのエネルギー結合損失モードがますます理解されるにつれて、点火を達成するために必要なターゲット上のレーザー エネルギーの推定値はほぼ毎年倍増した。爆発プッシャーターゲット設計と 1 桁キロジュール (kJ) のレーザー照射強度では決して高い収量にはならないという認識から、紫外線帯域でレーザーエネルギーを 100 kJ レベルまで高める取り組みと、高度なアブレーターと極低温 DT 氷ターゲット設計の開発が進められました。

ICF ドライバー設計における最も初期の大規模な試みの 1 つは、1978 年に運用を開始した LLNL の 20 ビームのネオジム添加ガラス レーザー システムであるShiva レーザーでした。Shiva は、核融合燃料カプセルを水素の液体密度の何倍にも圧縮することを実証することを目的とした「概念実証」設計でした。Shiva はこれに成功し、重水素の液体密度の 100 倍に達しました。ただし、レーザーが高温電子と結合するため、高密度プラズマの早期加熱が問題となり、核融合収率は低かったです。圧縮プラズマを効率的に加熱できなかったため、レーザーからの赤外光を 351 nm の紫外線に周波数を 3 倍にするソリューションとして光周波数逓倍器の使用が示唆されました。 1980年にレーザーエネルギー研究所で発見されたレーザー光の周波数を効率的に3倍にする方式は、24ビームのOMEGAレーザーとNOVETTEレーザーで実験され、その後、点火に到達することを具体的な目標とした最初の設計である、シヴァの10倍のエネルギーを持つNovaレーザー設計が続きました。

ノヴァも失敗したが、今回はフィラメント化によってビーム内のレーザー強度が大きく変動し (ビーム間の強度差も)、ターゲットでの照射の滑らかさが大きく不均一になり、非対称の爆縮が生じた。以前に開発された技術では、これらの新しい問題には対処できなかった。この失敗により、爆縮のプロセスに対する理解が大幅に深まり、今後の方向性が再び明確になった。つまり、照射の均一性を高め、ビーム平滑化技術によってレーザービーム内のホットスポットを減らしてレイリー・テイラー不安定性を減らし、ターゲットでのレーザーエネルギーを少なくとも 1 桁増やすことだった。1980 年代は資金が制限されていた。

結果として生まれた192本のビームを持つ設計は、国立点火施設（ NIF）と名付けられ、1997年にLLNLで建設が開始された。NIFの主な目的は、いわゆる核管理計画の旗艦実験装置として運用し、LLNLの伝統的な爆弾製造の役割をサポートすることである。2009年3月に完成した^[38] NIFの実験は、レーザーによる電力供給の新記録を樹立した。^{[39] [40] 2013年9月27日の時点で、生成された核融合エネルギーが、}重水素-三重水素燃料に吸収されるエネルギーを上回ったのは初めてであった。^{[41] [42] [43]} 2018年6月、NIFは核融合エネルギー出力54kJという記録的な生産を発表した。^[44] 2021年8月8日^[45]、 NIFは1.3MJの出力を生み出した。これは2018年の結果の25倍であり、点火の損益分岐点の定義（出力エネルギーが入力エネルギーと等しい場合）の70％を生成した。^[46] 2022年12月現在、NIFは^{[47] 、2022年12月5日に}科学的損益分岐点を達成した最初の核融合実験になったと主張しており、実験では2.05メガジュールのレーザー光入力（1kgの水を沸騰させるのに必要なエネルギーよりわずかに少ない）から3.15メガジュールのエネルギーを生み出し、エネルギー利得は約1.5であった。^{[48] [49] [50] [51]}

高速点火は、圧縮後に燃料を直接加熱する方法を提供し、加熱段階と圧縮段階を切り離す可能性があります。このアプローチでは、ターゲットは最初にレーザーシステムを使用して「通常」に圧縮されます。爆縮が最大密度に達すると（停滞点または「爆発時間」）、2番目の短い高出力ペタワット（PW）レーザーがコアの片側に単一のパルスを照射し、劇的に加熱して点火を開始します。^[52]

高速点火には、「プラズマ ボアスルー」法^[52]と「コーン イン シェル」法^[53]の 2 つのタイプがあります。プラズマ ボアスルー法では、2 番目のレーザーが爆縮カプセルの外側のプラズマを貫通し、コアに衝突して加熱します。コーン イン シェル法では、カプセルは小さな高 z (高原子番号) コーンの端に取り付けられ、コーンの先端がコアに突き出ます。この 2 番目の方法では、カプセルが爆縮されると、レーザーはコアをはっきりと見ることができ、エネルギーを使用して「コロナ」プラズマを貫通することはありません。ただし、コーンの存在は爆縮プロセスに大きな影響を与えますが、その影響は完全には理解されていません。現在、高速点火を調査するいくつかのプロジェクトが進行中で、その中にはロチェスター大学のOMEGA レーザーや日本のGEKKO XII装置のアップグレードが含まれます。

HiPerは、欧州連合で提案されている5億ポンドの施設です。NIFの2MJの紫外線ビームと比較すると、HiPERのドライバーは200kJ、ヒーターは70kJと計画されていましたが、予想される核融合利得はNIFよりも高くなっています。ダイオードレーザーを採用することになっていたため、電気をレーザー光に変換する効率が大幅に向上し、より低温で動作します。これにより、はるかに高い周波数で動作できます。HiPERは、1Hzで1MJ、または10Hzで100kJで動作することを提案しました。プロジェクトの最終更新は2014年に行われました。建設コストを10倍削減しながら、より高いQを提供することが期待されていました。 ^[54]

フランスのレーザーメガジュールは2002年に最初の実験ラインを達成し、2014年に最初の標的射撃が行われた。 ^[55]この機械は2016年時点で約75％完成していた。

まったく異なるアプローチを採用しているのがZピンチ装置である。Zピンチは、極細のワイヤーでできたシリンダーに大量の電流を流す。ワイヤーは蒸発して導電性の高電流プラズマを形成する。その結果生じる円周磁場がプラズマシリンダーを圧迫して爆縮させ、燃料カプセルの爆縮に使用できる高出力X線パルスを生成する。このアプローチの課題としては、比較的低い駆動温度による爆縮速度の低下と、潜在的に大きな不安定性成長、高エネルギーX線による予熱などが挙げられる。^{[56] [57]}

衝撃点火は、高速点火の問題に対処するために提案された。^{[58] [59] [60]}日本はKOYO-F設計とレーザー慣性核融合試験（LIFT）実験炉を開発した。^{[61] [62] [63]} 2017年4月、クリーンエネルギーの新興企業アポロフュージョンは、ハイブリッド核融合核分裂炉技術の開発を開始した。^{[64] [65]}

ドイツでは、テクノロジー企業マーベルフュージョンがレーザー励起慣性核融合に取り組んでいる。^[66]このスタートアップは短パルス高エネルギーレーザーと中性子燃料pB11を採用した。^{[67] [68] [69]}同社は2019年にミュンヘンで設立された。 ^{[70] [71]同社は}シーメンスエナジー、TRUMPF、タレスと協力している。^[72]同社は2022年7月にミュンヘンのルートヴィヒマクシミリアン大学と提携した。 ^[73]

2022年3月、オーストラリアのHB11社は、非熱レーザーpB11を使用した核融合を発表し、アルファ粒子生成率が予想よりも高かった。^[74]他の企業には、NIFのようなLongview Fusionや高速点火方式のFocused Energyなどがある。^[75]

慣性核融合エネルギー（IFE）発電所は、1970年代後半から研究されてきました。これらの装置は、1秒間に複数のターゲットを反応室に送り込み、その結果得られるエネルギーを使用して従来の蒸気タービンを駆動します。

たとえ点火に至る多くの技術的課題がすべて解決されたとしても、実用的な問題は山積している。レーザー増幅プロセスの効率が1～1.5%であり、蒸気駆動タービンシステムの効率が通常約35%であることを考えると、核融合によるエネルギー収支が均衡するには、125倍程度の利益が必要になるだろう。^[77]

フラッシュランプを、吸収の強い周波数範囲でエネルギーの大部分を生成するように調整されたレーザーダイオードに置き換える設計を使用することで、レーザー効率を桁違いに向上できる可能性があります。初期の実験装置では約 10% の効率が得られており、20% の効率も可能であると示唆されています。^{[引用が必要]}

NIF はドライバービームを生成するために約 330 MJ を使用し、約 20 MJ の予想収量を生み出し、最大信頼収量は 45 MJ です。

ICF システムは、MCF システムと同様に、二次的な電力抽出の問題に直面しています。主な懸念事項の 1 つは、ターゲットやドライバー ビームに干渉することなく、反応室から熱をうまく除去する方法です。もう 1 つの懸念事項は、放出された中性子が原子炉構造と反応し、機械的に弱体化して、非常に放射能を帯びるようになることです。鋼鉄などの従来の金属は寿命が短く、炉心格納容器の壁を頻繁に交換する必要があります。もう 1 つの懸念事項は、核融合アフターダンプ(反応室に残る破片) です。これは、核融合によって生成されたヘリウム灰や、燃料ペレットに使用されている未燃焼の水素やその他の元素など、後続のショットに干渉する可能性があります。この問題は、間接駆動システムで最も厄介です。ドライバー エネルギーが燃料ペレットを完全に逃して格納容器に当たると、物質が相互作用領域、レンズ、または集束要素を汚染する可能性があります。

HYLIFE-II 設計に示されているように、1 つのコンセプトは、リチウムとベリリウムのフッ化物塩の溶融混合物であるFLiBeの「滝」を使用することです。これは、チャンバーを中性子から保護し、熱を運び去ります。 FLiBe は熱交換器に送られ、タービンの水を加熱します。^[78]リチウム核分裂によって生成されたトリチウムは、発電所の熱核燃料サイクルを閉じるために抽出できます。トリチウムは希少であり、そうでなければ製造する必要があるため、永久運転には不可欠です。別のコンセプトである Sombrero では、中性子断面積が低い炭素繊維強化ポリマーで作られた反応チャンバーを使用します。冷却は、中性子を吸収する能力と熱伝達剤としての効率性のために選択された溶融セラミックによって行われます。^[79]

IFE に不利に働くもう一つの要因は燃料のコストである。ナッコルズが初期の計算をしていたときでさえ、IFE マシンが 50 MJ の核融合エネルギーを生成する場合、1 ショットでおそらく 10 MJ (2.8 kWh) のエネルギーを生成できるだろうと同僚が指摘した。当時の電力の卸売価格は約 0.3 セント/kWh であり、ショットの金銭的価値はおそらく 1 セントであった。その後 50 年間、電力の実質価格はほぼ一定のままであり、2012 年のカナダのオンタリオ州の価格は約 2.8 セント/kWh であった。^[80]したがって、IFE プラントが経済的に実行可能であるためには、燃料ショットのコストは 2012 年のドル換算で 10 セントよりかなり安くなければならない。

ダイレクト ドライブ システムでは、空洞の使用を避けるため、燃料費が安くなる場合があります。ただし、これらのシステムでは依然としてアブレータが必要であり、精度と形状の考慮が重要です。ダイレクト ドライブ アプローチは、運用コストが安くならない可能性があります。

ICF実験中に遭遇する高温高密度の状態は、熱核兵器の状態に似ており、核兵器プログラムに応用できる。燃料ペレットにエネルギーが注入されると、衝撃波爆発が起こる。十分な衝撃波があれば、燃料ペレットは結合してヘリウムを形成し、自由中性子とエネルギーが放出される。ICF実験は、例えば、弾頭の性能が経年劣化する様子を判定したり、兵器設計プログラムの一部として利用したりできる。核兵器プログラムの内部に知識と専門知識を保持することも、ICFを追求するもう一つの動機である。^{[81] [82]}米国のNIFへの資金は、核兵器備蓄管理プログラムから提供されており、その目標はそれに応じて設定されている。^{[83] ICF研究の一部は、}包括的核実験禁止条約や核拡散防止条約に違反していると主張されている。^[84]長期的には、大きな技術的ハードルにもかかわらず、ICF研究は「純粋な核融合兵器」の開発につながる可能性がある。^[85]

ICFは、核破砕よりも桁違いに多くの中性子を生成する可能性があります。中性子は分子内の水素原子の位置を特定し、原子の熱運動を解明し、X線よりも効果的に光子の集団励起を研究することができます。分子構造の中性子散乱研究では、熱中性子を低速中性子ビームに変調することで、タンパク質の折り畳み、膜を介した拡散、陽子移動メカニズム、分子モーターのダイナミクスなどに関連する問題を解決できます。 ^{[86] ICFで生成された中性子は、核分裂性物質と組み合わせて、}ハイブリッド核融合設計で電力を生成するために 使用できる可能性があります。

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