ノヴァ（レーザー）

Novaは、1984年に米国カリフォルニア州のローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）で構築された高出力レーザーであり、1999年に解体されるまで、高度な慣性閉じ込め核融合（ICF）実験を行っていた。Novaは、大量のエネルギーを放出する核融合の連鎖反応である「点火」に到達することを目的として構築された最初のICF実験であった。Novaはこの目標を達成できなかったが、生成されたデータにより、問題が主にレイリー・テイラー不安定性の結果であることが明確に定義され、Novaの後継である国立点火施設の設計につながった。Novaはまた、点火の欠如にかかわらず、高密度物質物理学に関する大量のデータも生成し、これは核融合発電と核兵器研究の両方に役立つ。

慣性閉じ込め核融合（ICF）装置は、駆動装置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）を含む小さな球形のペレットです。駆動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、最終的に非常に高密度の小さな点に崩壊します。^[1]

急速な噴出により、圧縮された燃料の中心に向かって進む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、衝撃波のエネルギーによって周囲の小さな体積がさらに加熱され、圧縮されます。その小さな部分の温度と密度を十分に高くすることができれば、燃料の小さな部分で核融合反応が発生します。^[1]

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（密度と温度が十分に高い）、この加熱プロセスによって連鎖反応が起こり、衝撃波が反応を開始した中心から外側に向かって燃料が燃焼します。これは点火と呼ばれる状態で、ターゲット内の燃料の大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。^[2]

これまでのところ、ICF 実験の大半はターゲットの加熱にレーザーを使用しています。計算によると、コアが分解する前に圧縮し、適切な衝撃波を発生させるためには、エネルギーを素早く供給する必要があることがわかっています。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側の表面に極めて均等に集中させる必要があります。他の「ドライバー」、特に粒子加速器で駆動される重イオンが提案されていますが、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デバイスです。^{[3] [4]}

LLNLのICFプログラムの歴史は、物理学者ジョン・ナッコルズが1972年に約1kJのレーザーエネルギーで点火が可能で、「高利得」には約1MJのエネルギーが必要であると予測したことから始まります。^{[5] [6]}これは現代の機械と比較すると非常に低出力に聞こえますが、当時は最先端の技術を超えていたため、この出力範囲のレーザーを製造するための多くのプログラムにつながりました。

Nova の建造に先立ち、LLNL は基本的な ICF 設計の問題を探求する一連の大型レーザーを設計・建造していた。LLNL は主に Nd :ガラスレーザーに関心を持っていた。これは当時、非常に数少ない高エネルギー レーザー設計の 1 つであった。LLNL は早い段階でガラス レーザーに集中することを決定していたが、一方で他の施設では二酸化炭素を使用したガス レーザー (例: Antares レーザー、ロスアラモス国立研究所) やKrF (例: Nike レーザー、海軍研究所) を研究していた。大型 Nd:ガラス レーザーの建造はこれまで試みられたことがなく、LLNL の初期の研究は主にこれらのデバイスの製造方法に焦点を当てていた。^[7]

1 つの問題は、ビームの均一性でした。ビームの強度がわずかに変化しただけでも、カー レンズ効果と呼ばれるプロセスで、空気とガラス光学系で「自己焦点」が発生します。結果として生じるビームには、非常に高い光強度を持つ小さな「フィラメント」が含まれており、デバイスのガラス光学系を損傷するほどです。この問題は、空間フィルタリング技術の導入により、サイクロプス レーザーで解決されました。サイクロプスの後には、より強力なアーガス レーザーが続き、複数のビームを制御してターゲットをより均一に照らすという問題が検討されました。^[7]この作業のすべてが、ターゲットを照らすためにターゲットの周囲に向けられた 20 個の独立した「レーザー増幅器」を含む高出力システムの概念実証設計であるシヴァ レーザーで最高潮に達しました。 ^[8]

シヴァの実験中に、別の重大な予期せぬ問題が生じた。ネオジムガラスレーザーによって生成された赤外線は、誘導ラマン散乱のプロセスを通じて、最初の加熱中に生成されたプラズマ内の電子と非常に強く相互作用することがわかった。「ホットエレクトロン予熱」と呼ばれるこのプロセスは、レーザーのエネルギーの大部分を奪い、また、ターゲットのコアが最大圧縮に達する前に加熱する原因となった。これは、爆縮エネルギーの減少と加熱されたコアの外向きの力の両方により、崩壊の中心に蓄積されるエネルギーが大幅に減少したことを意味する。波長が短いほどこの問題が軽減されることはわかっていたが、シヴァで使用される赤外線周波数は「十分に短い」と以前は予想されていた。これは当てはまらなかった。^[9]

この問題の解決策として、効率的な周波数逓倍器、つまり複数の光子を1 つの高エネルギー、つまり高周波数の光子に結合する光学装置の形で研究されました。これらの装置はすぐに導入され、OMEGA レーザーなどで実験的にテストされ、その有効性が証明されました。このプロセスの効率は約 50% に過ぎず、元のレーザー出力の半分が失われますが、結果として生じる紫外線はターゲットのプラズマにはるかに効率的に結合し、ターゲットを高密度に崩壊させるのにはるかに効果的です。

これらの解決策を手にした LLNL は、点火条件を作り出すのに必要な電力を備えた装置を構築することを決定しました。設計は 1970 年代後半に開始され、その後すぐにテストベッドNovette レーザーの建設が開始され、基本的なビームラインと周波数逓倍器の設計が検証されました。当時、米国ではエネルギー危機が繰り返されており、代替エネルギーと核兵器の研究 に利用できる資金が大量にあるため、資金調達は難しくありませんでした。

初期の建設段階で、ナッコルズは計算に誤りを発見し、TRW社のジョン・フォスター・ジュニアが議長を務めた1979年10月のレビューで、ノヴァが点火に至ることはあり得ないことが確認された。その後、ノヴァの設計は、結合効率を高めるために351nm光への周波数変換を追加した小型の設計に変更された。^{[10] 「新しいノヴァ」は、10個のレーザー増幅器、つまり}ビームラインを備えたシステムとして登場した。各ビームラインは、空間フィルターと、結果として生じるビームをクリーンアップするためのその他の光学系で分離された一連のNd:ガラス増幅器で構成されていた。ビームラインを折り畳む技術はシヴァの頃から知られていたが、この時点ではまだ十分に開発されていなかった。ノヴァは最終的にレイアウトに1つの折り畳みがあり、ビームラインを含むレーザーベイは300フィート (91 m) の長さになった。一見すると、長さ300フィート（91メートル）のビームラインが20本あるように見えるが、折り畳み構造のため、光路長で見ると、10本のビームラインはそれぞれ約600フィート（180メートル）もある。^[11]

発射前に、Nd:ガラス増幅器は、まず、その周囲に配置された一連のキセノンフラッシュランプで励起されます。ランプによって生成された光の一部はガラスに捕捉され、誘導放出による増幅を可能にする反転分布をもたらします。このプロセスは非常に非効率的で、ランプに供給された電力の約1〜1.5％のみが実際にレーザーエネルギーに変換されます。Novaに必要な種類のレーザー出力を生成するために、ランプは非常に大きくする必要があり、レーザーベイの下にある大規模なコンデンサバンクから電力が供給されます。フラッシュはまた、ガラスを歪ませる大量の熱を生成し、ランプとガラスが冷却するまでに時間が必要です。これにより、Novaの発射は1日に最大で約6回に制限されます。

ポンプが作動して発射準備が整うと、レーザー光の小さなパルスがビームラインに送り込まれる。Nd:ガラスディスクは、ビームが通過するときにそれぞれ追加のパワーをビームに放出する。多数の増幅器を通過した後、光パルスは空間フィルターで「クリーンアップ」されてから、別の一連の増幅器に送られる。各段階で追加の光学系が使用され、ビームの直径が拡大され、より大きな増幅器ディスクを使用できるようになる。Nova には合計で 15 個の増幅器と 5 個のフィルターがビームラインに含まれており、^[11]最終段階で追加の増幅器を追加するオプションがあったが、実際に使用されたかどうかは不明である。

そこから 10 本のビームすべてがレーザー ベイの端にある実験エリアに入ります。ここで一連のミラーがビームを反射し、あらゆる角度からベイの中央に衝突します。一部のビームは他のビームよりも中央までの経路が長いため、一部の経路にある光学デバイスがビームを減速して、すべてのビームが同時に (約 1 ピコ秒以内に) 中央に到達します。周波数乗算器は、光を「ターゲット チャンバー」に入る直前に緑色と青色 (UV) にアップコンバートします。Nova は、残りの IR または緑色の光がチャンバーの中央より手前で焦点を合わせるように配置されています。^[11]

ノヴァレーザーは全体として、1054nmで約100キロジュールの赤外線、または351nm（1054nmのNd:ガラス基本線の第3高調波）で40～45キロジュールの周波数3倍光を約2～4ナノ秒のパルス持続時間で照射することができ、16兆ワットの範囲の紫外線パルスを生成することができました。^[11]

Nova の研究は間接駆動方式に焦点が当てられており、レーザー光は薄い金属箔の内側表面に集束される。金属箔は一般に金、鉛、またはその他の高 Z金属でできている。レーザーによって加熱されると、金属はこのエネルギーを拡散X 線として再放射する。これは燃料ペレットを圧縮するのに UV よりも効率的である。X 線を放射するには、金属を非常に高温に加熱する必要があり、かなりの量のレーザー エネルギーが消費される。したがって、圧縮はより効率的であるが、ターゲットに供給される全体的なエネルギーはそれにもかかわらずはるかに小さい。X 線変換の理由は、エネルギー供給を改善するためではなく、エネルギー プロファイルを「滑らかにする」ためである。金属箔は熱をある程度拡散するため、元のレーザーの異方性は大幅に減少する。^[11]

フォイルシェル、またはホーラウムは、一般的に小さな開放端の円筒形に形成され、レーザーは開放端に斜めの角度で照射され、内面に当たるように配置されている。ノヴァでの間接駆動研究を支援するために、レーザーベイの反対側にあるメインの実験エリアの「向こう側」に第 2 の実験エリアが建設された。システムは、10 本のビームすべてを 5 本ずつ 2 セットに集束するように配置されており、この第 2 のエリアを通過してからターゲットチャンバーの両端を通過し、そこからホーラウムに送られる。^[12]

紛らわしいことに、間接駆動方式は1993年まで広く公表されませんでした。一般科学雑誌や類似の資料に掲載されたノヴァ時代の文書では、この問題については触れられていないか、ノヴァが空洞のない直接駆動方式を使用していたことを示唆しています。 ^[13]

以前のシヴァと同様に、ノヴァは核融合出力の点で期待に応えられなかった。ノヴァの最大核融合出力は1ショットあたり約10 ¹³ 個だった。この場合、問題は不安定性にあり、崩壊中に燃料の乱流混合を引き起こし、衝撃波の形成と伝達を乱した。この問題は、ノヴァが各ビームラインの出力エネルギーを厳密に一致させることができないために発生し、ペレットの異なる領域が表面全体で異なる量の加熱を受けることを意味した。これによりペレット上にホットスポットが発生し、それが爆縮するプラズマに刻印され、レイリー・テイラー不安定性の種となり、それによってプラズマが混合されて中心部が均一に崩壊しなくなった。^[14]

それでも、Novaは当初の形でも有用な装置であり、メインターゲットチャンバーとビームラインは、以下に概説するように改造された後も長年にわたって使用されました。ビームを平滑化するさまざまな技術がNovaの寿命を通じて試みられ、Novaの改良とNIFの理解を深めました。^[15]これらの実験は、ICFの理解だけでなく、高密度物理学全般、さらには銀河や超新星の進化にも大きく貢献しました。

Nova が完成して間もなく、実験装置として改良するための改造が行われました。

1つの問題は、実験室を次のショットのために再装備するのに、レーザーを冷却するのに必要な時間よりも長い時間がかかったことであった。レーザーの利用率を向上させるために、10本のビームラインを2本にまとめる光学系を備えた2番目の実験室が元の実験室の後ろに建設された。ノヴァは古いシヴァの建物に隣接して建設されており、2つの実験室は背中合わせになっており、ビームラインは中央のターゲット領域から外側に伸びていた。2ビームシステムは、ビームガイドと関連光学系を現在使用されていないシヴァの実験エリアに通し、小さい方の実験室をシヴァのビームベイに配置することで設置された。^[16]

Nova の部分的な成功と他の実験結果から、エネルギー省は、 100 から 1000 MJ の核融合収率を達成できる「実験室マイクロ核融合施設」(LMF) と呼ばれる特注の軍事用 ICF 施設の建設を要請しました。LASNEXのコンピュータ モデルに基づくと、LMF には約 10 MJ のドライバーが必要であると推定されましたが、^核実験ではより高い出力が必要であることが示唆されていました。このような装置の構築は最先端の技術では可能でしたが、10 億ドル程度の費用がかかります。^[17] LLNL は、約 200 MJ の収率を達成できる 5 MJ 350 nm (UV) ドライバー レーザーの設計を提出しました。これは、LMF の目標の大半を達成するのに十分なものでした。このプログラムの費用は1989年度で約6億ドルと見積もられており、必要に応じて1000MJにアップグレードするにはさらに2億5000万ドルかかると予想され、LMFがDOEが要求した目標をすべて達成すると10億ドルをはるかに超える額になると予想されていた。^[17]他の研究所も他の技術を使った独自のLMF設計を提案した。

この巨大なプロジェクトに直面して、1989年から1990年にかけて、米国科学アカデミーは米国議会に代わって米国のICFの取り組みについて2度目の見直しを実施した。報告書は、「ターゲットの物理とドライバーの性能に必要な外挿、および10億ドルの費用を考慮すると、委員会はLMF（つまり、1ギガジュールの出力を持つレーザーマイクロ融合施設）は、現在のプログラムから直接導入するには大きすぎるステップであると考えている」と結論付けた。報告書では、短期的なプログラムの主要目標は点火に関連するさまざまな問題を解決することであり、これらの問題が解決されるまでは本格的なLMFは試みるべきではないと示唆した。^[18]また、報告書はLANLで行われているガスレーザー実験を批判し、それらの実験および他の研究所での同様のプロジェクトを中止するよう提案した。報告書はLASNEXの数値を受け入れ、レーザーエネルギー約10MJでのアプローチを引き続き承認した。しかし、著者らはより高いエネルギー要件の可能性を認識しており、「確かに、点火と増幅に100MJのドライバーが必要であることが判明した場合、ICFに対する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。^[18]

1992 年 7 月、LLNL はこれらの提案に応えてNova アップグレードを実施しました。これは、既存の Nova 施設の大部分と隣接する Shiva 施設を再利用するものです。結果として得られるシステムは、LMF コンセプトよりもはるかに低電力で、ドライバーは約 1 ～ 2 MJ になります。^[19]新しい設計には、ドライバー セクションの最新技術を進歩させる多くの機能が含まれています。これには、メイン アンプのマルチパス設計、ターゲット領域に入るときに照明の均一性を向上させるために 288 の「ビームレット」に分割される 18 のビームライン (10 から増加) が含まれます。計画では、2 つの主要なレーザー ビーム ライン バンクを設置することになっています。1 つは既存の Nova ビーム ライン ルームに、もう 1 つは隣接する古い Shiva ビルに設置され、そのレーザー 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 ターゲット領域まで伸びます。^[20]レーザーは、4 ns パルスで約 500 TW を出力します。このアップグレードにより、新しいノヴァは2～20MJの核融合エネルギーを生み出すことができるようになると予想されました。 ^[17] 1992年の最初の見積もりでは、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年にかけて行われました。

歴史的記録には十分に記録されていない理由により、1992年後半にLLNLはNovaアップグレード提案を更新し、既存のNova / Shivaの建物では新しいシステムを収容できなくなり、約3倍の大きさの新しい建物が必要になると述べました。^[21]それ以来、計画は現在の国立点火施設へと発展しました。

1980年代後半から、非常に短いが非常に高出力のレーザーパルスを生成する新しい方法が開発され、チャープパルス増幅（CPA）と呼ばれています。1992年から、LLNLのスタッフはNovaの既存のアームの1つを改造して、最大1.25 PWを生成する実験的なCPAレーザーを構築しました。単にペタワットとして知られるこのレーザーは、1999年にNovaがNIFのために解体されるまで稼働しました。^{[22] [23]}

Nova やその時代の他の高出力レーザーで使用されていた基本的な増幅システムは、出力密度とパルス長の点で制限がありました。1 つの問題は、増幅ガラスが瞬時ではなく一定期間にわたって反応し、非常に短いパルスは強力に増幅されないことでした。もう 1 つの問題は、高出力密度によって、以前の設計で問題を引き起こしたのと同じ種類の自己焦点合わせの問題が発生することでしたが、その程度は空間フィルタリングなどの対策でも十分ではなく、実際、出力密度は空気中にフィラメントを形成するほど高かったのです。

CPA は、レーザー パルスを時間的に拡散させることで、これらの問題の両方を回避します。これは、比較的多色性の (ほとんどのレーザーと比較して) パルスを 2 つの回折格子で反射させることで実現します。回折格子は、パルスを空間的に異なる周波数に分割します。これは、基本的に、単純なプリズムが可視光に対して行うのと同じことです。これらの個々の周波数は、ビームラインに反射して戻ってくるときに異なる距離を移動する必要があるため、パルスは時間的に「引き伸ばされ」ます。この長いパルスは通常どおり増幅器に送られ、増幅器は通常どおりに応答する時間があります。増幅後、ビームは「逆方向に」2 番目の格子ペアに送られ、高出力の単一の短いパルスに再結合されます。フィラメント化や光学要素の損傷を回避するために、ビームラインの端全体が大きな真空チャンバー内に配置されます。

ペタワットは高速点火核融合の概念の実用的基盤の発展に大きく貢献したが、概念実証装置として運用可能になった時点で、NIF を進める決定はすでに下されていた。高速点火アプローチに関するさらなる研究は継続しており、欧州連合で開発中の実験システムであるHiPERでは NIF をはるかに上回る開発レベルに到達する可能性がある。

ノヴァがNIF建設のために解体されていたとき、ターゲットチャンバーは、多くの点でNIFに類似したシステムであるレーザーメガジュールの開発中、一時的にフランスに貸与された。この貸与は物議を醸した。当時LLNLで稼働していた唯一の他のレーザーであるビームレット（NIFの単一の実験用ビームライン）が、ニューメキシコ州のサンディア国立研究所に送られたばかりだったためである。このため、NIFが稼働するまでLLNLには大型レーザー施設がなかった。NIFの稼働は早くても2003年と見積もられていた。NIFの作業は2009年3月31日まで正式に完了と宣言されなかった。^[24]

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