Loading article…
国立点火施設（NIF）は、米国カリフォルニア州リバモアにあるローレンス・リバモア国立研究所に位置する、レーザーベースの慣性閉じ込め核融合（ICF）研究施設です。NIFの使命は、高エネルギー利得で核融合点火を実現することです。NIFは、2022年12月5日の実験で、エネルギー利得係数1.5で科学的ブレークイーブン制御核融合の最初の事例を達成しました[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 。NIFは、核爆発内部で見られる条件下での物質の挙動を研究することで、核兵器の維持と設計を支援しています[ 4 ] 。
NIFは、これまでに建造された中で最大かつ最も強力なICF装置です。[ 5 ] ICFの基本的な概念は、少量の燃料を圧縮して核融合に必要な圧力と温度に達することです。NIFには、世界で最もエネルギーの高いレーザーがあり、小さな球体の外層を間接的に加熱します。エネルギーが非常に強いため、球体が内破し、内部の燃料が圧縮されます。内破は最大速度350 km/s (0.35 mm/ns)に達し、[ 6 ]燃料の密度は水とほぼ同じから鉛の約100倍に上昇します。内破中のエネルギー供給と断熱過程により、燃料の温度は数億度まで上昇します。このような温度では、燃料が外側に爆発する直前のごく短い時間内に核融合プロセスが発生します。
NIFの建設は1997年に始まった。NIFは予定より5年遅れて完成し、費用は当初予算のほぼ4倍になった。建設は2009年3月31日に米国エネルギー省によって完了が認定された。[ 7 ]最初の大規模実験は2009年6月に行われ[ 8 ]、最初の「統合点火実験」（レーザーの出力をテストするもの）は2010年10月に完了したと宣言された。[ 9 ]
2009年から2012年にかけて、レーザーが最大出力に達した直後、つまり2012年後半のある時点で点火を達成することを目標とした国家点火キャンペーンの下で実験が行われた。このキャンペーンは、点火に必要な条件の約1/10の時点で、2012年9月に正式に終了した。[ 10 ] [ 11 ]その後、 NIFは主に材料科学と兵器研究に使用されている。2021年、燃料ターゲット設計の改良後、NIFはレーザーのエネルギーの70%を生成し、1997年にJET原子炉が記録した67%を上回り、燃焼プラズマを達成した。[ 12 ] 2022年12月5日、さらなる技術的改良の後、NIFは初めて科学的ブレークイーブンに達し、 [ 1 ]入力エネルギーと比較して154%のエネルギー収率を達成した。[ 13 ]しかし、これは科学的には成功だったものの、[ 14 ]実際の実験では、施設がエネルギーを生成するために使用したエネルギーの 1% 未満しか生成されませんでした。[ 15 ] 2.05 MJ の入力から 3.15 MJ のエネルギーが得られましたが、[ 16 ] 2.05 MJ のエネルギーを供給したレーザー光を生成するには、施設内で約 300 MJ が必要でした。[ 14 ]
慣性閉じ込め核融合（ICF）装置は、強力なエネルギーを用いて標的の外層を急速に加熱し、圧縮する。核分裂は熱核弾頭のエネルギー源となる一方、レーザービームや粒子ビームなどのエネルギー源は非兵器装置に使用される。[ 17 ]
ターゲットは、数ミリグラムの核融合燃料を含む小さな球状のペレットで、通常は重水素（D）と三重水素（T）の混合物であり、この組成は最も低い点火温度を持つ。[ 17 ]
レーザーは、燃料ペレットの表面を直接加熱する（直接駆動方式）か、ペレットを囲む中空金属円筒の内面を加熱する（間接駆動方式）かのいずれかの方法をとることができる。間接駆動方式の場合、中空円筒（ドイツ語で「中空室」または「空洞」を意味する）は十分に高温になり、さらに高周波のX線としてエネルギーを再放出する。これらのX線は、元のレーザー光よりも対称的に分布しており、ペレットの表面を加熱する。
いずれの場合も、ペレットの外側の物質はプラズマに変わり、表面から爆発的に飛び散ります。ペレットの残りの部分は、あらゆる方向から内側に押し込まれ、極めて高密度の小さな体積になります。表面の爆発によって衝撃波が発生し、内側に伝わります。燃料の中心では、小さな体積がさらに加熱され、圧縮されます。温度と密度が十分に高くなると、核融合反応が起こります。[ 18 ]燃料を対称的に圧縮するためには、エネルギーを迅速に、かつターゲットの外面全体に極めて均一に分散させる必要があります。[ 19 ]
反応によって高エネルギー粒子が放出され、その一部、主にアルファ粒子が未融合燃料と衝突してさらに加熱し、追加の核融合を引き起こす可能性がある。同時に、燃料はX線損失と燃料領域から放出される高温電子によっても熱を失っている。したがって、アルファ加熱の速度は損失速度よりも大きくなければならず、これをブートストラップと呼ぶ。[ 20 ]十分な密度、温度、および持続時間という適切な条件が満たされると、ブートストラップは連鎖反応を引き起こし、中心から外側に向かって燃焼する。これは点火として知られており、燃料の大部分が融合し、大量のエネルギーが放出される。[ 21 ]
1998年時点では、ほとんどのICF実験ではレーザー駆動装置が使用されていました。粒子加速器で駆動される重イオンなど、他の駆動装置も検討されています。[ 22 ] [ 23 ]
NIFは主に間接駆動方式を採用しており、レーザーが内部のカプセルを囲む小さな金属シリンダーを加熱し、そのシリンダーから放出されるX線が燃料ペレットを加熱します。OMEGAレーザーやNovaレーザーなどの実験システムでこの方式が検証されています。[ 24 ] NIFの高出力はOMEGAやNovaよりもはるかに大きなターゲットをサポートしており、基本ペレットの設計は 直径約2mmです。ペレットは約18ケルビン（-255 ℃）まで冷却され、凍結した重水素-三重水素（DT）燃料の層で覆われています。中空の内部には少量のDTガスが含まれています。[ 25 ]
典型的な実験では、レーザーは 最大 4 MJ の赤外線レーザーエネルギーのうち 3 MJ を生成します 。紫外線への変換後、約 1.5 MJ が残り、さらに 15 パーセントがホロラウムで失われます。生成された X 線の約 15 パーセント、約 150 kJ は、ターゲットの外層に吸収されます。[ 26 ]カプセルと X 線の間の結合は損失があり、最終的に 燃料に蓄積されるエネルギーは約 10 ～ 14 kJ だけです。[ 27 ]
標的の中心にある燃料は、約 1000 g/cm 3の密度まで圧縮されます。 [ 28 ]比較のために、鉛の密度は約 11 g/cm 3です。圧力は 3000 億気圧に相当します。[ 20 ]
NIFが建設される前は、シミュレーションに基づいて10～15 MJの核融合エネルギーが放出され、正味の核融合エネルギー利得Qが約5～8（放出される核融合エネルギー/入力されるUVレーザーエネルギー）になると予想されていました。[ 29 ]ターゲットチャンバーの設計により、基本設計では最大可能な核融合エネルギー放出が45 MJに制限されていました。 [ 30 ]これは約11 kgのTNTが爆発するのと同等です。[ 31 ] 2011年にNIFが建設され使用されたとき、核融合エネルギーは予想よりもはるかに低く、1 kJ未満でした 。性能は徐々に向上し、2024年現在では核融合エネルギーは2 MJを定期的に超えています。[ 32 ]
エネルギー生産に役立つためには、核融合施設はレーザー増幅器の動力源として使用されるエネルギーよりも少なくとも1桁大きい核融合出力を生成する必要がある。NIF の場合は400 MJである。[ 33 ]商用レーザー核融合システムでは、はるかに効率的なダイオード励起固体レーザーが使用される予定であり、壁面プラグ効率10%が実証されており、1996年に開発中の先進的な概念では16～18%の効率が期待されていた。[ 34 ]
2010年現在、NIFは、数ピコ秒以内に多数の方向からターゲットに到達する、ピーク出力500テラワット（TW）の単一の光フラッシュを生成することを目指している。この設計では、フラッシュランプ励起のネオジム添加リン酸ガラスレーザーの並列システムに192本のビームラインを使用している。[ 35 ]
ビームラインの出力が均一になるように、レーザーは注入レーザーシステム（ILS）内の単一光源から増幅されます。これは、マスターオシレーターと呼ばれるイッテルビウム添加光ファイバーレーザーで生成された1053ナノメートル（nm）の低出力赤外光フラッシュから始まります。 [ 36 ]その光は分割され、48個のプリアンプモジュール（PAM）に導かれます。各PAMは、キセノンフラッシュランプを介して2段階の増幅プロセスを実行します。第1段階は再生増幅器で、パルスは30～60回循環し、エネルギーがナノジュールから数十ミリジュールに増加します。第2段階では、メインビームラインで使用されているものと同様の（ただしはるかに小さい）ネオジムガラス増幅器を含む回路を光が4回通過し、ミリジュールが約6 ジュールに増加します。LLNLによると、PAMの設計は主要な課題の1つでした。その後の改良により、当初の設計目標を上回ることができた。[ 37 ]
主な増幅は、ビームラインの一端に配置された一連のガラス増幅器で行われます。発射前に、増幅器はまず合計 7,680 個のフラッシュランプによって光ポンピングされます。これらのランプは、 400 MJ (110 kWh)を蓄えるコンデンサバンクによって駆動されます。波面がそれらを通過すると、増幅器は蓄積されたエネルギーの一部をビームに放出します。ビームは、ミラーキャビティに配置された光スイッチを使用して、メイン増幅器を 4 回通過します。これらの増幅器は、元の 6 J を公称 4 MJ に増幅します。[ 18 ]数ナノ秒の時間スケールを考慮すると、ターゲットに供給されるピーク UV パワーは 500 TW に達します。[ 38 ]
各ビームラインの中心付近には、全長の大部分を占める空間フィルターがあります。これらは、先端に小型望遠鏡が付いた長いチューブで構成されており、ビームをチューブの中心にある小さな点に集束させ、その中心にあるマスクが焦点外の迷光を遮断します。フィルターにより、ビーム像が非常に均一になります。空間フィルターは大きな進歩でした。これらは、LLNLの初期の実験であるサイクロプスレーザーで導入されました。[ 39 ]
スイッチを含めたレーザービームの経路の全長は約1,500 メートル (4,900フィート)です。ビームライン内のさまざまな光学素子は、一般的にライン交換可能ユニット (LRU) にパッケージ化されており、自動販売機ほどの大きさの標準化されたボックスで、下からビームラインから取り外して交換できます。[ 40 ]
増幅が完了すると、光はビームラインに戻され、建物の反対側のターゲットチャンバーまで進みます。ターゲットチャンバーは、直径10メートル（33フィート）、重量13万キログラム（29万ポンド）の複数の部品からなる鋼鉄製の球体です。[ 41 ]ターゲットチャンバーに到達する直前に、光はスイッチヤードとターゲットエリアのミラーで反射され、異なる方向からターゲットに当たります。マスターオシレーターからターゲットまでの経路長はビームラインごとに異なるため、光学系を使用して光を遅延させ、すべての光が互いに数ピコ秒以内に中心に到達するようにします。[ 42 ]
ターゲットチャンバーに到達する前の最後のステップの 1 つは、周波数変換器と呼ばれる装置で1053 nm の赤外線 (IR) を 351 nm の紫外線 (UV) に変換することです。[ 43 ]これらは、リン酸二水素カリウムの単結晶から切り出された薄いシート (厚さ約 1 cm) でできています。1053 nm (IR) の光がこれらのシートの 2 つのうち最初のシートを通過すると、周波数加算により光の大部分が 527 nm の光 (緑色) に変換されます。2 番目のシートを通過すると、周波数結合により 527 nm の光の大部分と残りの 1053 nm の光が 351 nm (UV) の光に変換されます。赤外線(IR) は、かなりの量のエネルギーを吸収して圧縮を妨げる高温の電子とより強く結合するため、ターゲットを加熱するのに紫外線よりもはるかに効果がありません。変換プロセスは、平坦な時間形状のレーザーパルスの場合、約 80 パーセントのピーク効率に達することができますが、点火に必要な時間形状はパルスの持続時間全体で大きく変化します。実際の変換プロセスの効率は約 50 パーセントで、供給されるエネルギーは公称 1.8 MJ に減少します。[ 44 ]
2010年現在、ICF研究プロジェクトの重要な側面の1つは、実験をタイムリーに実施できるようにすることでした。従来の装置では、フラッシュランプとレーザーガラスが（熱膨張のため）発射後に元の形状に戻るまで何時間も冷却する必要があり、1日に1回以下の発射に制限されていました。NIFの目標の1つは、この時間を4時間未満に短縮し、年間700回の発射を可能にすることでした。[ 45 ]
NIFは新しいタイプのターゲットも研究している。これまでの実験では、一般的にポリスチレン（CH）などのプラスチックアブレーション材が使用されてきた。NIFターゲットは、プラスチック製の型にスパッタリングされたベリリウムまたはベリリウム銅合金の層をコーティングし、中心からプラスチックを酸化させることで作られる。[ 46 ] [ 47 ]ベリリウムターゲットは、X線入力からの爆縮効率が高い。[ 48 ]
NIFは当初間接駆動装置として設計されたが、2008年時点でのレーザーのエネルギーは、X線に変換せずにレーザーをターゲットに直接照射する直接駆動システムとして使用できるほど高かった。NIFの紫外線によって供給されるパワーは、点火を引き起こすのに十分すぎるほどであり、間接駆動システムよりもやや高い約40倍の核融合エネルギー増加を可能にすると推定された。[ 49 ]
2005年の時点で、OMEGAレーザーでの縮尺された爆縮とコンピュータシミュレーションにより、NIFビームラインのレイアウトを変更することなく、ターゲットがレーザーによって上下からのみ直接照射される極方向直接駆動（PDD）構成を使用してNIFが点火できることが示された。[ 50 ]
2005年現在、土星ターゲットと呼ばれる他のターゲットは、異方性を低減し、爆縮を改善するために特別に設計されています。[ 51 ]これらのターゲットは、ターゲットの「赤道」の周りに小さなプラスチックリングを備えており、レーザーが当たるとプラズマになります。レーザー光の一部はこのプラズマを通過してターゲットの赤道に向かって屈折し、加熱を均一化します。35倍強のゲインを持つNIF点火が可能と考えられており、完全に対称な直接駆動方式とほぼ同等の結果が得られます。[ 50 ]
カリフォルニア州リバモアにあるローレンス・リバモア国立研究所における慣性閉じ込め核融合（ICF）の歴史は、物理学者のジョン・ナックルズから始まった。彼は、エドワード・テラーが1957年に同研究所で開催した会議の後、この問題について考え始めた。これらの会議の中で、後にPACERとして知られるアイデアが生まれた。PACERは、大きな洞窟で小型水素爆弾を爆発させて蒸気を発生させ、それを電力に変換することを構想していた。このアプローチの問題点を特定した後、ナックルズは、正味の電力を生み出す爆弾をどれだけ小さくできるか疑問に思った。[ 52 ]
典型的な水素爆弾は、プルトニウムをベースとした核分裂爆弾である「一次爆弾」と、円筒形の核融合燃料の配置である「二次爆弾」の2つの部分から構成されています。一次爆弾はX線を放出し、それが爆弾のケーシング内に閉じ込められます。X線は二次爆弾を加熱・圧縮し、点火させます。二次爆弾は重水素化リチウム（LiD）燃料で構成されており、外部中性子源が必要です。これは通常、燃料の中心にある小さなプルトニウムの「点火プラグ」の形をしています。ナックルズのアイデアは、二次爆弾をどれだけ小さくできるか、そしてそれが点火に必要な一次爆弾からのエネルギーにどのような影響を与えるかを調べることでした。最も簡単な変更は、LiD燃料をDTガスに置き換えることで、点火プラグが不要になることです。これにより、二次爆弾のサイズは任意になります。二次爆弾が小さくなるにつれて、点火に必要なエネルギー量も小さくなります。ミリグラムレベルでは、エネルギーレベルは既知のいくつかの装置で利用可能なレベルに近づき始めました。[ 52 ]
1960年代初頭までに、ナックルズと他の数人の兵器設計者はICFの概要を開発した。DT燃料は、加熱されると急速にアブレーションして圧縮と衝撃波の形成を最大化するように設計された小さなカプセルに入れられる。このカプセルは、爆弾のケーシングのように機能する工学的に作られたシェル、ホウルラウムの中に置かれる。ホウルラウムはX線で加熱する必要はなく、ホウルラウムを加熱してX線を生成するのに十分なエネルギーを供給できる限り、あらゆるエネルギー源を使用できる。理想的には、エネルギー源は反応の両端を機械的に隔離するために、ある程度離れた場所に配置される。水素爆弾のように、小型の原子爆弾をエネルギー源として使用できるが、理想的にはより小さなエネルギー源が使用される。コンピュータシミュレーションを使用して、チームは 一次から約5 MJのエネルギーが必要であり、1 MJのビームを生成すると推定した。[ 52 ]これを比較すると、小型（0.5 kt）の核分裂一次は2 TJを放出する。[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]
ナックルズとLLNLがホールラウムベースのコンセプトに取り組んでいる間、UCSDの物理学者キース・ブリュックナーは独自に直接駆動に取り組んでいた。1970年代初頭、ブリュックナーはこのコンセプトを商業化するためにKMS Fusionを設立した。これがKMSと兵器研究所との激しい競争を引き起こした。以前は無視されていたICFはホットトピックとなり、ほとんどの研究所がICFの研究を開始した。[ 52 ] LLNLはガラスレーザーに集中することを決定したが、他の施設は二酸化炭素を使用したガスレーザー（例：ロスアラモス国立研究所のANTARES ）またはKrF（例：海軍研究所のナイキレーザー）を研究した。[ 56 ]
これらの初期段階を通して、核融合プロセスの理解の多くは、主にLASNEXによるコンピュータシミュレーションの結果であった。LASNEXは反応を2次元近似に単純化したが、これは利用可能な計算能力で可能なすべてであった。LASNEXは、kJ範囲のレーザー駆動装置が低利得に達する可能性があると推定したが、これは最先端技術の範囲内であった。[ 52 ]これが1977年に完了したShivaレーザープロジェクトにつながった。Shivaは目標を大きく下回った。達成された密度は予測よりも数千倍小さかった。これは、レーザーがターゲットに熱を伝える方法の問題に起因していた。そのエネルギーの大部分は、燃料全体ではなく電子を活性化した。さらなる実験とシミュレーションにより、より短い波長を使用することでこのプロセスを劇的に改善できることが実証された。[ 57 ]
これらの影響を考慮したシミュレーション プログラムのさらなるアップグレードにより、別の設計が点火に達すると予測されました。このシステムは、20 ビーム 200 kJのNova レーザーの形をとりました。建設段階で、Nuckolls は計算に誤りがあることを発見し、1979 年 10 月に元 LLNL 所長のJohn S. Foster Jr.が議長を務めるレビューにより、Nova は点火に達しないことが確認されました。これは、光を 351 nm に変換して結合効率を高める、より小型の 10 ビーム設計に変更されました。[ 58 ] Nova は、主に最終集光光学系の光学的損傷により、予想の約半分である約 30 kJ の UV レーザー エネルギーを供給することができました 。これらのレベルでも、核融合生成の予測が間違っていることは明らかでした。利用可能な限られた出力でも、核融合収量は予測をはるかに下回りました。
それぞれの実験で、点火に必要なエネルギーが過小評価され続けていることが明らかになった。エネルギー省（DOE）は、直接実験がこの問題を解決する最善の方法であると判断し、1978年にネバダ核実験場で、小型核爆弾を用いて慣性閉じ込め核融合（ICF）標的を照射する一連の地下実験を開始した。これらの実験は、Halite（LLNL）とCenturion（LANL）として知られている。[ 59 ]
この実験の基本的な概念は、1960年代に弾道ミサイル迎撃弾頭の開発方法として開発された。大気圏外で爆発した爆弾は、遠距離から敵の弾頭に損傷を与える可能性のあるX線バーストを放出することがわかった。このシステムの有効性をテストし、米国の弾頭を保護するための対抗策を開発するために、国防原子力支援局（現在の国防脅威削減局）は、標的を高速で閉まる扉の後ろにある長いトンネルの端に配置するシステムを開発した。扉は、X線が到達してから爆発までの短い期間に閉まるようにタイミングが調整されていた。これにより、再突入体（RV）は爆発による損傷を免れ、検査を受けることができた。[ 59 ]
ICF実験では、RVをホールラウムに置き換えた同じシステムが使用された。各実験では、照射量の変化の影響を調べるために、爆弾から異なる距離にある多数のターゲットが同時に照射された。もう1つの疑問は、核融合反応によって燃料が自己加熱され、点火に至るためには、燃料集合体がどのくらいの大きさでなければならないかということだった。初期データは1984年半ばまでに得られ、実験は1988年に終了した。これらの実験で初めて点火が達成された。点火に必要なエネルギー量と燃料ターゲットの大きさは、予測よりもはるかに大きかった。[ 60 ]この同じ時期に、ノヴァでは同様のターゲットを使用してレーザー照射下での挙動を理解するための実験が開始され、爆弾実験との直接比較が可能になった。[ 61 ]
このデータは、 点火するには約 10 MJ の X 線エネルギーが必要であることを示唆しており、これは以前の計算値をはるかに超えている。[ 60 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]もしこれらの X 線が Nova や NIF のように赤外線レーザーをホロラウムに照射することによって生成される場合、100 MJ 程度の劇的に大きなレーザーエネルギーが必要になるだろう 。[ 60 ]
これはICFコミュニティで議論を引き起こした。[ 60 ]あるグループはこの出力のレーザーを構築する試みを提案し、レオナルド・マスケローニとクロード・フィップスは高エネルギー電子で励起される新しいタイプのフッ化水素レーザーを設計し、100 MJの閾値に到達した。他のグループは同じデータとコンピュータシミュレーションの新しいバージョンを使用して、レーザーパルスの慎重な整形とより多くのビームをより均等に広げることで、5～10 MJの出力のレーザーで点火できると示唆した。[ 65 ] [ 66 ]
これらの結果を受けて、DOEは「ラボラトリー・マイクロフュージョン・ファシリティ」（LMF）と呼ばれる軍用ICF施設の特注を要請した。LMFは10 MJ程度の駆動装置を使用し、100～1,000 MJの核融合収量を実現する予定だった。1989～1990年に米国科学アカデミー がこの構想を検討した結果、LMFは野心的すぎると指摘され、基礎物理学をさらに探求する必要があるとされた。彼らは10 MJシステムへの移行を試みる前に、さらなる実験を行うことを推奨した。しかしながら、著者らは「実際、点火と利得に100 MJの駆動装置が必要であることが判明した場合、ICFへのアプローチと根拠全体を再考する必要があるだろう」と指摘した。[ 67 ]
1992年時点で、研究所マイクロ核融合施設の建設費用は約10 億ドルと見積もられていた。[ 68 ] LLNLは当初、5 MJ 350 nm (UV) ドライバーを備えた設計を提出し、 約200 MJの収量を達成できるとしていた 。これはLMFの目標の大部分を達成するのに十分であった。このプログラムの費用は 1989会計年度で約6億ドルと見積もられていた。さらに2億5000 万ドルをかけて、これを1,000 MJまでアップグレードする予定だった。DOEが要求したすべての目標を達成するには、 総額10億ドルを超えることになる。 [ 68 ]
NAS のレビューによりこれらの計画が再評価され、1990 年 7 月に LLNL は Nova アップグレードで対応し、隣接する Shiva 施設とともに Nova の大部分を再利用することとした。結果として得られるシステムは、約 1 MJ の駆動部を持つ LMF コンセプトよりもはるかに低い出力となる。[ 69 ]新しい設計には、主増幅器でのマルチパスや、ターゲット領域に入るときに 288 個の「ビームレット」に分割される 18 本のビームライン (10 本から増加) など、駆動部の最先端技術を進歩させる機能が含まれていた。計画では、既存の Nova ビームライン室に 1 つ、隣接する古い Shiva ビルに 1 つ、レーザー ベイとターゲット領域を通ってアップグレードされた Nova ターゲット領域に伸びる 2 つの主要なビームライン バンクを設置することになっていた。レーザーは 4 ns のパルス で約 500 TW の出力を提供する。 1992年の当初の見積もりでは、建設費用は約4億ドルと見積もられており、建設は1995年から1999年にかけて行われた。[ 68 ]
この期間を通して、冷戦の終結は国防予算と優先順位に劇的な変化をもたらした。核兵器に対する政治的な支持は低下し、軍備協定により核弾頭数が削減され、設計作業も減少した。米国は、既存の備蓄を維持したり、新しい兵器を設計したりできる核兵器設計者の世代を失う可能性に直面した。[ 70 ]同時に、 1996年に包括的核実験禁止条約（CTBT）が署名され、すべての臨界実験が禁止され、新世代の核兵器の開発がより困難になった。
これらの変更から、核兵器を爆発的にテストすることなく設計および製造する方法の開発のための資金を含む備蓄管理プログラム(SSMP) が生まれました。1995 年に始まった一連の会議で、研究所間で SSMP の取り組みを分割するという合意が形成されました。その重要な部分の一つは、低出力 ICF 実験を使用したコンピュータ モデルの確認でした。Nova Upgrade はこれらの実験に使用するには小さすぎました。[ 71 ] [ a ]再設計は 1994 年に NIF に成熟しました。プロジェクトの推定コストは 10 億ドル近くで 、2002 年に完了しました。[ 72 ]
合意にもかかわらず、巨額のプロジェクト費用と他の研究所での同様のプロジェクトの終了が相まって、他の研究所、特にサンディア国立研究所の科学者から批判的なコメントが寄せられた。1997年5月、サンディアの核融合科学者リック・シュピールマンは、NIFには「技術的な問題に関する内部ピアレビューが事実上全くない」こと、そして「リバモアは基本的に自分たちでレビューするパネルを選んだ」ことを公に述べた。[ 73 ]サンディアの退職マネージャー、ボブ・プエリフォイはシュピールマンよりもさらに率直に、「NIFは無価値だ…備蓄を維持するために使うことはできない、それだけだ」と述べた。[ 74 ] LLNLでICFコンセプトの初期開発者の1人であるレイ・キダーも非常に批判的だった。彼は1997年に、その主な目的は「理論家と実験家のスタッフを募集して維持すること」であり、実験データの一部は兵器設計に役立つことが証明されるだろうが、実験装置の違いがその関連性を制限していると述べた。 「物理法則の一部は同じだが、肝心な部分は全く異なる。したがって、NIFが現在兵器設計研究所で働いている人たちと同等の詳細設計能力を持つ兵器設計者や技術者のスタッフを長期的に支えることができると考えるのも間違いだろう。」[ 75 ]
1997年、エネルギー省の国防計画担当次官補でSSMPのチーフアーキテクトであるビクター・レイスは、米国下院軍事委員会でこのプログラムを擁護し、NIFは「実験室環境で初めて、核兵器の爆発時に発生する温度と物質密度に近い条件を作り出すように設計されている。このような条件下での物質の挙動とエネルギーと放射線の伝達を研究する能力は、核兵器の基本物理学を理解し、地下核実験なしでその性能を予測する上で鍵となる」と述べた。[ 76 ] 1998年、科学技術専門家で構成された2つのJASONパネルは、NIFは科学に基づく備蓄管理のために提案されたすべてのプログラムの中で最も科学的に価値があると述べた。[ 77 ]
当初は批判もあったものの、サンディア国立研究所とロスアラモス国立研究所は多くのNIF技術の開発を支援し[ 78 ]、両研究所は後にNIFの国家点火キャンペーンのパートナーとなった[ 79 ] 。
NIF の作業は、ビームレットと呼ばれる単一のビームライン実証機から始まった。ビームレットは 1994 年から 1997 年にかけて正常に稼働した。その後、サンディア国立研究所のZ マシンの光源として送られた。続いて、AMPLAB にフルサイズの実証機が設置され、1997 年に稼働を開始した。[ 80 ] NIF のメインサイトの正式な起工式は 1997 年 5 月 29 日に行われた。[ 81 ]
当時、DOEはNIFの建設費を約11 億ドル、関連研究費を10億ドルと見積もって おり、2002年には完成する見込みだった。[ 82 ]その後1997年にDOEは1 億ドルの追加資金を承認し、運用開始日を2004年に延期した。1998年になっても、LLNLの公開文書では総費用は12 億ドルで、最初の8基のレーザーは2001年に稼働し、2003年に完全に完成するとされていた。 [ 83 ]
施設の物理的な規模だけでも、建設プロジェクトは困難を極めた。2001年に「従来型施設」（レーザーのシェル）が完成するまでに、21万立方ヤード以上の土砂が掘削され、7万3000立方ヤード以上のコンクリートが打設され、7600トンの鉄筋が配置され、5000トン以上の構造用鋼材が組み立てられた。レーザーシステムを振動から隔離するため、各レーザーベイの基礎は構造物の残りの部分とは独立して作られた。厚さ3フィート、長さ420フィート、幅80フィートのスラブは、仕様を満たすために連続コンクリート打設が必要だった。[ 84 ]
1997年11月、エルニーニョ現象による嵐で2時間で2インチの雨が降り、基礎コンクリート打設予定日のわずか3日前にNIFの敷地が20万ガロンの水で浸水した。地盤がひどく水浸しになったため、擁壁の骨組みが6インチ沈み、作業員はそれを解体して再組み立てせざるを得なかった。[ 84 ] 1997年12月、1万6000年前のマンモスの骨が発見されたため、建設は中断された。古生物学者が呼ばれて骨を取り除いて保存したため、建設は4日間遅れた。[ 85 ]
NIFの7,500メートルサイズの光学系にレーザーガラスを供給するための光学部品製造能力の構築など、さまざまな研究開発、技術、エンジニアリング上の課題が生じました。NIFの高エネルギーレーザーに耐えられる最先端の光学測定、コーティング、仕上げ技術が開発され、レーザービームを必要なエネルギーレベルまで増幅する方法も開発されました。[ 86 ]連続注型ガラス、急速成長結晶、革新的な光スイッチ、変形ミラーなどは、NIFで開発された技術革新の一部です。[ 87 ]
パルス電力供給に関する豊富な経験を持つサンディア国立研究所は、フラッシュランプに電力を供給するコンデンサバンクを設計し、1998 年 10 月に最初のユニットを完成させた。誰もが驚いたことに、パルス電力調整モジュール (PCM) のコンデンサが故障し、爆発が発生した。これにより、破片を封じ込めるためにモジュールを再設計する必要が生じたが、コンクリートがすでに打設されていたため、新しいモジュールは非常に密集した状態になり、現場でのメンテナンスは不可能になった。その後、モジュールをベイから取り外して保守できるように、さらに再設計が行われた。[ 58 ]問題が続き、運用がさらに遅れ、1999 年 9 月に更新された DOE の報告書では、NIF には最大 3 億 5000 万ドルの追加費用が必要であり 、完成は 2006 年になると述べられた。 [ 82 ]
この期間を通して、NIFの問題は経営陣に報告されなかった。1999年、当時のエネルギー長官ビル・リチャードソンは、プロジェクトリーダーの報告通り、NIFは予定通り予算内で進んでいると議会に報告した。しかし、同年8月、どちらの主張も真実とは程遠いことが明らかになった。[ 88 ]後に政府会計検査院（GAO）が指摘したように、「さらに、NIFとその他すべてのレーザー活動を監督していた研究所の元レーザーディレクターは、NIFに深刻な問題があるという明確かつ増大する証拠について説明を受けていたにもかかわらず、NIFプロジェクトは十分な資金と人員が確保され、費用とスケジュール通りに進んでいると研究所の管理者、エネルギー省、大学、議会に保証した」。[ 82 ] 2000 年 1 月に DOE のタスク フォースはリチャードソンに、「NIF プロジェクトの組織は、大規模な研究開発プロジェクトに見合ったプログラムおよびプロジェクト管理の手順とプロセスを実施できなかった... [そして] ... NIF 管理で合格点を得られる組織はない。DOE の国防計画局も、ローレンス リバモア国立研究所も、カリフォルニア大学もだ」と報告した。[ 89 ]
予算上の問題から、米国議会は独立したGAOの調査を要請した。GAOは2000年8月に批判的な報告書を提出し、研究開発費を含めて費用は39億ドルになる可能性が高く、施設は予定通りに完成する可能性は低いと推定した。[ 82 ] [ 90 ]報告書は、予算超過の原因は管理上の問題であると指摘し、標的製造の予算を策定せず、開発費ではなく運用費に含めたことを批判した。[ 88 ]
2000 年、DOE は技術的な遅延とプロジェクト管理上の問題のため、包括的な「再ベースラインレビュー」を開始し、スケジュールと予算をそれに応じて調整しました。国家核安全保障局長のジョン・ゴードンは、「NIF プロジェクトを完了するための詳細なボトムアップのコストとスケジュールを作成しました...独立したレビューは、NIF 管理チームが大きな進歩を遂げ、以前の問題を解決したという我々の立場を支持しています」と述べました。[ 91 ]このレポートでは、予算の見積もりを 22 5 億ドルに修正し、関連する研究開発費は含めずに 総額 33 億ドルにし、完了日を 2006 年に延期し、最初のラインは 2004 年に稼働開始しました。[ 92 ] [ 93 ]翌年のフォローアップレポートでは、予算が 42 億ドルに、完了日が 2008 年に延期されました。
1999年9月、プロジェクトは新しい管理チームを迎え、レーザー担当の副所長代理に任命されたジョージ・ミラーがチームを率いた[ 94 ] [ 95 ] 。LLNLの原子蒸気レーザー同位体分離（AVLIS）プログラムの元責任者であるエド・モーゼスがNIFプロジェクトマネージャーに就任した。その後、NIFの管理は多くの肯定的な評価を受け、プロジェクトは議会が承認した予算とスケジュールを満たした。2010年10月、プロジェクトはプロジェクトマネジメント協会によって「年間最優秀プロジェクト」に選ばれ、NIFは「適切に適用されたプロジェクトマネジメントの卓越性が、この規模と重要性を持つプロジェクトを効率的に遂行するために、グローバルチームを結集させる方法の素晴らしい例」であると評価された[ 96 ] 。
2003 年 5 月、NIF は 4 つのビームの束で「ファースト ライト」を達成し、単一のビームラインで 10.4 kJ の赤外線パルスを生成しました。[ 45 ] 2005 年、最初の 8 つのビームで 153 kJ の赤外線を生成し、地球上で最もエネルギーの高いレーザー (パルスあたり) として OMEGA を凌駕しました。2007 年 1 月までに、マスター オシレーター ルーム (MOOR) のすべての LRU が完成し、コンピュータ ルームが設置されました。2007 年 8 月までに、96 本のレーザー ラインが完成して稼働し、「合計 2.5 メガジュールを超える赤外線エネルギーが発射されました。これは、当時世界最大のレーザーであった Nova レーザーが通常運用していたエネルギーの 40 倍以上です。」[ 97 ]
2005年、 JASON防衛諮問グループによる概ね肯定的な独立レビューでは、「このような複雑な活動における科学的および技術的な課題は、2010年の初期の点火の試みが成功する可能性はあるものの、可能性は低いことを示唆している」と結論付けられた。 [ 98 ] 2009年1月26日、最後のライン交換可能ユニット（LRU）が設置され、[ 99 ]非公式に建設が完了した。[ 100 ] 2009年2月26日、NIFは192本のレーザービームすべてをターゲットチャンバーに照射した。[ 101 ] 2009年3月10日、NIFはメガジュールの壁を破った最初のレーザーとなり、整形された点火パルスでターゲットチャンバーの中心に 3ω（第3高調波発生）として知られる1.1 MJの紫外線を照射した。 [ 102 ]メインレーザーは1.952 MJの赤外線を照射した。[ 103 ]
2009年5月29日、NIFは数千人が出席した式典で開所した。[ 104 ] 6月下旬には、ホールラウム標的への最初のレーザー照射が行われた。[ 8 ]
2010年1月28日、NIFは金製のホロラウムに669 kJのパルスを照射したと報告し、レーザー出力の記録を更新した。また、分析の結果、生成されたプラズマによる干渉が核融合反応の点火に問題にならないことが示唆された。[ 105 ] [ 106 ]テスト用ホロラウムのサイズのため、レーザーとプラズマの相互作用により、小さなプリズムのように作用するプラズマ光学格子が生成され、ホロラウム内部のカプセルに対称的なX線駆動が生じた。[ 106 ]
科学者たちはレーザーの波長を徐々に変えながら、球状のカプセルを均一に圧縮し、330万ケルビン（285 eV）まで加熱した。[ 107 ]カプセルには極低温に冷却されたガスが入っており、後で使用する重水素と三重水素の燃料カプセルの代わりとして機能した。 [ 106 ]プラズマ物理グループのリーダーであるジークフリート・グレンツァー氏は、実験室では必要な燃料層を正確に維持できるが、レーザーシステム内ではまだできないと述べた。[ 107 ]
2010年1月時点で、NIFは1.8メガジュールに達した。その後、ターゲットチャンバーには中性子を遮断するためのシールドを装備する必要が生じた。[ 105 ]
主要な建設が完了すると、NIFは点火を目指す国家点火キャンペーン（NIC）を開始しました。当時、科学雑誌には点火が間近であるとする記事が掲載されました。サイエンティフィック・アメリカンは2010年のレビュー記事を「点火はもうすぐだ。1年か2年以内に…」という文言で始めました。[ 108 ]
最初の試験は2010年10月8日に実施され、出力は1MJをわずかに超えた 。しかし、問題により、1.4～1.5MJの範囲の点火レベルのレーザーエネルギーへの取り組みは遅れた。
一つの問題は、光学部品へのエネルギー集中度が高いため、過熱による損傷の可能性があったことである。[ 109 ]その他の問題としては、ターゲット内部での燃料の層状化の問題や、カプセル表面への微量の塵の付着などが挙げられる。[ 110 ]
出力レベルは上昇し続け、標的はより高度化していった。すると、標的チャンバー内に微量の水蒸気が発生し、ホールラウムの両端の窓に凍りつき、非対称な爆縮を引き起こした。この問題は、両端に2層目のガラスを追加することで解決され、事実上、嵐の窓が作られた。[ 110 ]
2011年2月から4月にかけて、SSMP材料実験を行うためにショットが中断されました。その後、NIFがアップグレードされ、診断および測定機器が改良されました。高度放射線撮影機能（ARC）システムが追加され、NIFの192本のビームのうち4本を、爆縮シーケンスを画像化するためのバックライトとして使用します。ARCは基本的に、ピーク出力が10兆ワット（10¹⁵ワット）を超えるペタワット級レーザーです。より明るく、より透過力が高く、より高エネルギーのX線を生成するように設計されています。ARCは、ピコ秒のレーザーパルスを生成して50～ 100 keVの範囲の高エネルギーX線を生成することができる、世界で最も高エネルギーの短パルスレーザーになりました。[ 111 ]
NICの運転は、核融合ターゲットを圧縮する4つのレーザー衝撃波のタイミングをより正確に把握することを目的として、2011年5月に再開された。
2012年1月、NIFのレーザー核融合エネルギープログラムのディレクターであるマイク・ダンは、10月までにNIFで点火が達成されると予測した。[ 112 ]同じ月に、NIFは記録的な57回のショットを発射した。[ 113 ] 3月15日、NIFはピーク出力411 TWのレーザーパルスを生成した。[ 114 ] 7月5日には、1.85 MJのより短いパルスを生成し、出力は500 TWに増加した。[ 115 ]
NICは定期的にレビューされた。6回目のレビューは2012年7月19日に公開された。[ 116 ]レポートでは、レーザー、光学機器、ターゲット、診断、運用といった設備の質の高さが称賛された。しかしながら、
さらに、報告書は、観測された性能とシミュレーションコードの間のギャップは、現在のコードの有用性が限られていることを示唆しているという深い懸念を表明した。具体的には、カプセルへの放射線駆動の予測能力の欠如と、レーザーとプラズマの相互作用の不十分なモデル化が見つかった。圧力は点火に必要な圧力の半分から3分の1にしか達しておらず、予測値をはるかに下回っていた。メモでは、アブレーション材とカプセル燃料の混合は、アブレーション材の外表面における流体力学的不安定性による可能性が高いと議論された。[ 116 ]
報告書では、より厚いアブレーション材を使用することが提案されたが、これにより慣性が増大する。必要な爆縮速度を維持するために、NIFのエネルギーを2MJに増やすことが提案された。このエネルギーが、混合限界を回避して点火に至るのに十分な大きさのカプセルを圧縮するのに十分かどうか疑問視された。[ 117 ]報告書は、2012年中に点火することは「極めて可能性が低い」と結論付けた。[ 116 ]
NICは2012年9月30日に正式に終了した。メディア報道によると、NIFは材料研究に重点を移す予定である。[ 118 ] [ 119 ]
2008年、LLNLはNIF技術を商用発電所設計の基礎として利用する方法を探るため、レーザー慣性核融合エネルギープログラム（LIFE）を開始しました。NIFと並行して開発された技術を取り入れた純粋な核融合装置に重点が置かれ、設計の性能が大幅に向上しました。 [ 120 ] 2014年4月、LIFEは終了しました。[ 120 ]
2013年9月27日のNIF核融合実験では、重水素-三重水素燃料に吸収されたエネルギーよりも多くのエネルギーが生成されました。[ 121 ]これは、「科学的損益分岐点」に達したことと混同されています。 [ 122 ] [ 123 ]科学的損益 分岐点は、核融合エネルギーがレーザー入力エネルギーを超えることと定義されています。[ 124 ]この定義を使用すると、出力は14.4 kJ、入力は1.8 MJとなり、比率は0.008になります。[ 121 ]
2013年、NIFは材料および兵器研究に重点を移した。2015会計年度に始まった実験ではプルトニウム242ターゲットが使用された。[ 125 ]プルトニウムの使用量は1ミリグラム未満から10ミリグラムまでであった。[ 126 ]この同位体は迷走自発核分裂中性子では核分裂しないが、約5 MeVのガンマ線によって光核分裂する。特定の構成では、NIFは10 MeVの光子を生成できる。[ 127 ]
理論上、包括的核実験禁止条約は、核分裂兵器の研究を目的としたプルトニウム242の化学高性能爆薬による爆縮実験を認めている。NIF（国立点火施設）での実験は、熱核兵器の第2段階におけるプルトニウム点火プラグの圧縮をシミュレートする可能性が高い。
2014会計年度には、NIFは191回のレーザー照射を行い、2日に1回強のペースで照射を行った。2015年4月現在、NIFは2015会計年度に300回のレーザー照射という目標を達成する見込みである。[ 128 ]
2016年1月28日、NIFは、高利得磁化ライナー慣性核融合（MagLIF）に関連する長さ1センチメートル（0.39インチ）のターゲット内での大量のレーザー光の吸収を研究することを目的とした最初のガスパイプ実験を成功裏に実行しました。高利得MagLIFターゲット設計のフルスケールでのレーザーエネルギー結合の伝搬、安定性、および効率の重要な側面を調査するために、NIFの単一のクワッドを使用して、13ナノ秒の整形パルス中にターゲットに30 kJのエネルギーを供給しました。データ取得は良好でした。[ 129 ]
2018年には、1.9× 10¹⁶個の中性子を出力したショットで圧縮非対称性の制御の改善が実証され、1.5 MJのレーザーパルスによって0.054 MJの核融合エネルギーが放出された。[ 130 ]
2019年4月から10月にかけて、プルトニウム242のランプ圧縮試験が実施された。これらの試験では、X線結晶学を用いてプルトニウムの結晶相を研究し、その状態方程式を決定した。[ 131 ]
2020年と2021年の実験では、プラズマの加熱の大部分が核融合反応による世界初の燃焼プラズマが得られた。 [ 12 ]この結果に続き、2021年8月8日には、核融合加熱が熱核反応を維持するのに十分であった世界初の点火プラズマが得られた。 [ 132 ] [ 133 ]プラズマは、約100兆分の1秒（つまり100ピコ秒または0.1ナノ秒）の短寿命連鎖反応と一致する過剰な中性子を生成した。[ 134 ] [ 135 ]
2021年の実験の核融合エネルギー収量は、プラズマに入射したレーザーエネルギーの70%と推定された。この結果は、 1997年にJETトーラスが記録した以前の記録67%をわずかに上回った。 [ 136 ]レーザー自体のエネルギー効率を考慮すると、この実験では約477MJの電気エネルギーを使用して、1.8MJのエネルギーをターゲットに送り込み、1.3MJの核融合エネルギーを生成した。[ 12 ]
この結果を実現するために、いくつかの設計変更が行われた。カプセルシェルの材質をダイヤモンドに変更し、レーザーバーストによって生成される二次X線の吸収率を高め、崩壊の効率を向上させた。また、表面をさらに滑らかにした。燃料を注入するために使用されるカプセルの穴のサイズを小さくした。カプセルを囲む金の円筒の穴を小さくしてエネルギー損失を減らした。レーザーパルスを延長した。[ 137 ]
NIFは、2022年12月5日に科学的な損益分岐点に達した最初の核融合実験となり、2.05メガジュールのレーザー光入力から3.15メガジュールのエネルギーを生成し、約1.5のエネルギー利得を達成した。 [ 1 ] [ 13 ] [ 138 ] [ 14 ] [ 139 ] 12月13日の公式発表で、ジェニファー・グランホルムエネルギー長官は、施設が点火に成功したと発表した。[ 140 ]これはしばしば核融合による「正味のエネルギー利得」と表現されたが、これはレーザーによって供給されるエネルギーに関してのみ真実であり、施設を稼働させるために必要な約400 MJの電力入力が報告で省略されることがあった。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 141 ]
この偉業には、燃料を囲むやや厚く滑らかなカプセルと、2.05 MJ のレーザー (2021 年の 1.9 MJ から増加) の使用が必要で、3.15 MJ のエネルギーが得られ、54% の余剰となった。[ 142 ]また、分割されたレーザービーム間でエネルギーを再分配することで、より対称的な (球状の) インプロージョンが実現した。[ 2 ]
NIFは2023年7月30日に2度目の損益分岐点を達成し、3.88 MJ、89%の余剰を生成した。[ 143 ] [ 144 ] 2022年12月の最初の成功以降に行われた6回のショットのうち少なくとも4回は損益分岐点を達成した。[ 145 ]これらの成功により、DOEは3つの追加研究センターに資金を提供した。[ 144 ] 2024年2月の実験では、2.2 MJの入力から5.2 MJ、136%の余剰を生成した。2025年には、テストで8.6 MJに達した。[ 146 ]
類似の実験的なICFプロジェクトには以下のようなものがある。
NIFは、2013年の映画『スター・トレック イントゥ・ダークネス』で宇宙船エンタープライズのワープコアのセットとして使用されました。[ 151 ]
生み出した史上初の制御された核融合反応である。
[A]非対称性は、ピーク収束時のホットスポット条件を悪化させ、爆縮性能と収量を制限する。
{{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){{cite web}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)北緯37度41分27秒、西経121度42分02秒/北緯37.69083度、西経121.70056度/北緯37.69083度、西経121.70056度