ブログ

Sep 03, 2023

光学およびフォトニクスのニュース

Il piano laser Edwin Cartledge per i deboli potrebbe essere il più adatto all'effetto

エドウィン・カートリッジリッジ

競争力のある核融合エネルギーを供給するには、アンダードッグレーザー方式が最適である可能性があります。

米国海軍研究所のエレクトラフッ化アルゴンレーザー。 [J. ステフェン、アメリカ海軍]

2022 年 12 月 5 日、米国ローレンス リバモア国立研究所 (LLNL) の国立点火施設 (NIF) で働く物理学者らが、実験用検出器で大量の中性子バーストを記録しました。 NIF は世界最大のレーザーであり、非常に強力で高エネルギーのフラッシュを使用して水素同位体のペレットを急速に爆縮させることによって核融合反応を生成します。 中性子の洪水は、研究者らが長年の努力の末、レーザーパルスに存在するエネルギーの約1.5倍のエネルギーを生成する「点火」に成功したことを示した。

この成果は、核融合が究極のエネルギーソリューション、つまり長寿命の放射性廃棄物を生み出さない、豊富でグリーンなベースロード電源を生み出すかもしれないという新たな楽観的な見方につながった。 しかし、科学者たちはこの結果を称賛したが、NIFが核融合発電所を稼働させるための技術を提供することに納得していない人もいた。

NIF のレーザーはターゲットの極のみを照射し、空洞の両端にある開口部にターゲットが進入できるようにします (上)。 [LLNL]

NIFは「間接駆動」核融合に依存しており、この核融合では、施設の192本のレーザー光線をペレットを取り囲む金の缶、つまり「ホルラウム」に向けることで生成されるX線で燃料ペレットを粉砕する。 このアプローチには利点があり、特に X 線が爆縮をよりスムーズにするのに役立ちます。 しかし、多くの科学者は、X線の生成で失われる膨大なエネルギー（全体の約4分の3）を考えると、この計画は商用発電所で核融合収率を利用するのに適さないと主張している。

これらの専門家は、代わりに概念的に単純な「ダイレクトドライブ」を提唱しています。 これには、燃料カプセル自体でレーザービームを訓練することが含まれており、原則として、ターゲットをより単純にしながら、より多くのレーザーエネルギーを核燃料に伝達します。 空洞は必要なく、カプセルはより安価な技術と材料を使用して製造できる可能性がある。

この分野の研究は、核融合収率が低い小さな標的に限定されてきました。 しかし、政府、特に民間部門で核融合エネルギーに対する関心が高まっていることもあり、科学者らは直接駆動が機能する可能性があるとますます楽観的になっている。 さらに、米国ロチェスター大学のリカルド・ベッティ氏が指摘するように、レーザー技術は近年大きく進歩し、特に非常に高い帯域幅で動作できるようになりました。 その技術は核融合エネルギーの「変革をもたらす可能性がある」と同氏は考えている。

政府、特に民間部門で核融合エネルギーに対する関心が高まっていることもあり、科学者らは直接駆動が機能する可能性があるとますます楽観的になっている。

核融合エネルギーを利用するには、軽い原子核 (通常は重水素と三重水素) のプラズマを高温で閉じ込め、原子核が相互反発を克服して融合し、エネルギーを放出します。 プラズマが十分に高い密度で十分な時間保持できれば、高エネルギーの反応生成物 (アルファ粒子) が十分な熱を蓄積し、自己持続燃焼を生じ、点火が発生し、出力が何倍にも増加します。

物理学者はこれを達成するために 2 つの異なる戦略に従ってきました。 強力な磁石を使用して、大きなチャンバー内にかなり希薄化したプラズマを保持し、閉じ込め時間を最大限に活用しようとします。 もう 1 つは、代わりに、つかの間の非常に高い密度を作成します。

慣性閉じ込め核融合として知られるこの 2 番目のアプローチを追求するために、高出力、高エネルギーのレーザーが使用されます。 このアイデアは、小さな燃料ペレットに向けてあらゆる方向からレーザー パルスを発射し、ペレットの外層を吹き飛ばし、運動量の保存によって残りの層を猛スピードで内側に押し込むというものです (光だけでは十分な放射圧力が得られません)。

[グラフィックを拡大] [イラスト：フィル・サンダース]

この技術の名前が暗示するように、カプセルの慣性は核融合の機会を提供します。これは、ペレットによって生成されたプラズマ内の温度と圧力が核融合反応を開始するのに十分に高いとき、爆縮と再爆発の間のほんの 1 秒のほんのわずかな時間です。 反応はまずホットスポットとして知られる圧縮プラズマの小さな中央領域で起こり、その後、アルファ粒子による十分な加熱により、比較的冷たい燃料の残りの部分に広がります。

LLNL の科学者は 1970 年代初頭に慣性核融合の研究を開始しました。 彼らは当初、直接駆動を追求することを計画していましたが、対称的で高出力の爆縮に必要な均一な照明を達成できないことがすぐにわかりました。 そこで彼らは間接駆動に切り替え、それ以来、アメリカの核兵器を維持するために使用されるコンピューターシミュレーションへの実験入力としてそれを使用してきました。 2012年に当初想定されていた点火は達成できなかったが、昨年ついに成功し、2.05MJのレーザーエネルギーから3.15MJを生成した。

他の研究室の一部の研究者は、代わりに直接駆動にこだわり続けています。 その際、入射レーザービームがプラズマと相互作用するときに生じる多くの有害な不安定性に直面してきました。 これらの 1 つであるクロスビーム エネルギー伝達は、ビームがプラズマ内で相互作用して音波を駆動することにより、入射ビームから出射ビームにエネルギーを伝達することができます。 これにより、爆縮の圧力が軽減されます。

プラズマ中の電子が、伝播するレーザービームによって再び引き起こされる電子密度の振動によって加速されるときに、別の問題が発生します。 これらの電子はカプセルのコアを貫通し、燃料を早期に加熱する可能性があります。 余分な熱により圧縮が妨げられ、発火に必要な極限状態に達することが困難になります。

ベティ氏によると、レーザー光の帯域幅が十分に広い場合、つまりコヒーレンスが非常に限定されている場合には、プラズマの不安定性を解消できるという。 10 テラヘルツ (THz = 1012 Hz) の帯域幅は、わずか 10 ～ 13 秒のコヒーレンス時間に相当します。これは、最速のプラズマ振動の周期よりも短いです。

ダイレクトドライブ研究の主要なセンターは、ロチェスター大学のレーザーエネルギー研究所 (LLE) です。 ここは OMEGA レーザーの本拠地で、ネオジムドープガラス増幅器からの 60 本のビームを使用して、直径 1 ミリメートル未満の燃料ペレットに 30 kJ のエネルギーと 30 TW の出力を供給します。 これらの実験では、レーザーエネルギーの最大約3%の核融合エネルギーを生成するプラズマが生成されましたが、後者はアルファ粒子を効率的に閉じ込めることができず、それによってプラズマを大幅に自己加熱することができません。

ロチェスター大学の超広帯域実験用第 4 世代レーザー (FLUX) の一部。これは、慣性核融合実験中のレーザー - プラズマの不安定性を軽減するために、レーザーエネルギー研究所の OMEGA レーザーの帯域幅を拡大します。 [レーザーエネルギー学研究室 / ロチェスター大学]

OMEGA のパフォーマンスは、レーザーの帯域幅によって部分的に妨げられます。 厚い非線形結晶を使用してレーザーの近赤外線をより有用な紫外線周波数に変換しますが、結晶により帯域幅が 1 THz 未満に制限されます。 これに応えて、研究者たちは超広帯域実験用の第 4 世代レーザー (FLUX) と呼ばれるプロジェクトに取り組んでいます。 これは、光パラメトリック増幅と和周波発生の新しい組み合わせを使用して、非常に広帯域の赤外線パルスを同様に広帯域の高エネルギー紫外線パルスにアップコンバートすることにより、帯域幅を10～15 THzの間に拡大することを目的としています。

卓上実験で技術を実証した後、研究者らは現在、150Jの広帯域パルスを生成する新しいポンプレーザーとビームラインをオメガに設置している。LLEのレーザー開発責任者であるジョナサン・ズーゲル氏は、FLUXを使った実験は2024年に開始されるべきだと述べ、レーザープラズマの不安定性を抑制するその能力は、2025年末までに実証されるはずだという。その時点で、標的への発火能力の保証は「非常に自信があったものから証明されたものへと急激に変化する」だろうと彼は言う。

米国海軍研究所のナイキレーザー施設内の最後のミラーアレイ。 【米国海軍研究所】

米国の海軍研究所 (NRL) では、他の研究者が非常に異なるタイプのレーザー、つまりフッ化アルゴンガスから作られたレーザーを使って研究を行っています。 同研究所のレーザー核融合プログラムの元責任者であるスティーブン・ボドナー氏によると、フッ化アルゴンにはガラスに比べて多くの大きな利点があるという。 本来、約 10 THz の広い帯域幅を持っています。 また、ガラスの波長が 351 nm であるのに比べて 193 nm と短いため、より高いプラズマ密度まで透過し、核融合反応により多くのエネルギーを蓄積できます。

フッ化アルゴンは、慣性核融合や 1980 年代初頭のいくつかの初期実験に対する魅力にもかかわらず、壊れやすいパルス電源と損傷した光学部品のため、長年にわたって放棄されてきました。 しかし、ボドナー氏らは、波長がわずかに長く、問題の少ないフッ化クリプトンを使用したガスレーザーの開発に固執した。 1995年以降、彼らはNRLのナイキ施設を利用して3kJパルスを平面ターゲットに集束させ、爆縮中に照射光のスポットを「ズーム」してレーザーエネルギーを最大限に活用できることを示した。

半導体業界でリソグラフィーにフッ化ア​​ルゴンが広く使用されていることに後押しされ、NRL の科学者らは研究室のエレクトラ施設をフッ化クリプトンからフッ化アルゴンに改造し、電子による効率的かつ高繰り返しレートのポンピングを実証しました。 エレクトラはレーザーの性能を向上させることが仕事であるため、ターゲットに向かってビームを発射しません。 その出力はまだ非常に控えめですが、それでも2020年にフッ化ア​​ルゴンレーザー発振の世界記録を達成し、約200 Jに達しました。

現在のレーザー システムは点火には遠く及ばず、ダイレクト ドライブに関しては多くの作業が残されており、今後の最善の方法については多くの意見が存在します。

現在のレーザー システムは点火には遠く及ばず、ダイレクト ドライブに関しては多くの作業が残されており、今後の最善の方法については多くの意見が存在します。 フランスのボルドー大学のプラズマおよび核融合物理学者であるウラジミール・ティホンチュク氏は、レーザー損傷を受けやすいガラス増幅器を考慮すると、最終的にはガスレーザーの方がガラス増幅器よりも堅牢な24時間動作を実現できると考えている。 しかし同氏は、ガラスレーザーは現在「かなり進んでいる」と主張する。 ガスに関する問題の 1 つは、はるかに大きなレーザー容積からエネルギーを抽出するために長いポンプ パルスが必要なことである、と Tikhonchuk 氏は言います。 ポンプパルスと信号パルスの間に生じる時間的不一致を克服するには、後者をレーザー増幅器に次々と供給する必要があります。 これらのパルスがすべて同時にターゲットに到達することを保証するために、ミラー システムが早いパルスを遅らせます。 「この多重化技術により、事態はさらに複雑になります」と彼は言います。

ボドナー氏はこの問題を軽視し、余分なスペースや複雑さは「大したことではない」と主張する。 同氏は、ガラスレーザーは、光強度に対する屈折率の非線形依存性という本当の問題に直面していると主張する。 これが、ビームの強度変動を平滑化するために必要な波のコヒーレンス時間の短縮を妨げている、と同氏は主張する。 対照的に、Zuegel は、コヒーレンス時間は単にレーザー帯域幅に反比例すると主張しています。

科学者たちはまた、さまざまな爆縮スキームの可能性についても合意に達していません。 NIF と同様に、ダイレクトドライブ レーザーは単一のレーザー パルスを使用してカプセルを圧縮および加熱でき、爆発する燃料内に衝撃波によってホットスポットが形成されます。 しかし、ツインパルスを使用することもできます。最初のパルスを使用して比較的小さな電力でパルスを圧縮し、2 番目のより短いパルスを追加の衝撃波によって燃料を加熱します。

「ショック点火」として知られる後者のスキームは、特定のレーザーエネルギーの利得を増加させることを約束しており、NRLの研究者らは、これによりアルゴンフッ化物レーザーの利得を160まで押し上げることができると考えている。しかしボドナー教授は、ロチェスターグループはこの利点を実現できないだろうと主張している。なぜなら、Betti がこの技術を発明したにもかかわらず、ガラスレーザーでは十分な出力で短いパルスを生成できないからです。 ベティ氏はこれに反対し、オメガはより小さなターゲットを使用することで出力制限を回避できると主張し、本当に重要なのは対称的な爆縮を実証することであり、短い秒パルスではないと主張する。

別々のレーザーパルスを使用して燃料を加熱および圧縮する別の概念は、「高速点火」です。 ここでのアイデアは、カプセル内に衝撃波を設定するのではなく、燃料を外部から直接加熱することです。 これは原理的には対称性の要件を緩和し、レーザーエネルギーを節約しますが、それ自体が大きな問題を引き起こします (以下の「イオンに焦点を当てる」を参照)。

[グラフィックを拡大] [集中エネルギーから適応]

意見の相違にもかかわらず、直接駆動の研究に携わる者全員が、より多くのデータ、特にコンピュータシミュレーションではなく実験からのデータが必要であることに同意しています。

より高エネルギーのデータは、長年ダイレクトドライブ研究に使用されてきたNIFで収集される可能性がある。 しかし、LLNLの慣性閉じ込め核融合研究主任研究者オマール・ハリケーン氏が指摘するように、この施設は理想的なものではない。 レーザーは間接駆動研究用に設定されているため、ターゲットの極のみを照射します。 ハリケーンによると、研究グループは球面照明の設置を検討したが、非常に費用がかかることが判明し、NIFは数年間活動できなくなったという。 同氏は、「この方向への勢い」はないようだと付け加えた。

ティホンチュク氏によれば、代わりに必要なのは、まったく新しい専用レーザーだという。 同氏によれば、これは約1MJのエネルギーと10のエネルギー利得を持ち、1時間に数発の射撃が可能であり、NIFは多くても週に1回の高収量実験を行っている。 同氏は、その規模は NIF の半分か 3 分の 1 にすぎないかもしれないが、それでも 10 ～ 20 億米ドルの費用がかかるだろうと見積もっている。 「次のステップに進みたい場合は、別のインストールが必要です」と彼は言います。 「人々はそれを理解していますが、それは投資です。」

ツエーゲル氏は、LLE が 10 億米ドル未満で次世代施設を建設できると確信しているが、それが着火に至るかどうかは確信が持てない。 同氏は、仮称のOMEGA Nextは、FLUXタイプのビームを多くの異なる波長に時間的に多重化することで、おそらく高帯域幅を達成するだろうと述べている。 同氏は、新しいレーザーが持つエネルギーについての議論は進行中であると述べているが、2030年頃に建設が始まり、10年半ばくらいまでには稼働すると予想している。

一方、ヨーロッパの物理学者は、欧州高出力レーザーエネルギー研究施設（HiPER）として知られる点火規模のプロジェクトの復活を目指している。 この提案は、NIF が当初想定していた 2012 年に点火を達成できなかったことと、どの爆縮スキームを使用するかについての意見の相違を受けて放棄されました。 しかし、支持者らは現在、ショック点火について合意しており、ティコンチュク氏は、おそらく数十億ユーロの費用がかかる改修された施設は10～15年以内に稼働できる可能性があると述べている。

フッ化アルゴンを研究している研究者らは、核融合エネルギーの商業化も目指している。 元NRL核融合プログラム責任者のスティーブン・オーベンチェーン氏は2022年に多段階計画を実現するためにLaserFusionX社を設立した。 同社は、単一の 30 kJ ビームラインを開発し、次に複数のビームラインを建設および運用して点火と少なくとも 100 のエネルギー利得を実証し、その後最終的にパイロット発電所を建設することを目指しています。その費用はすべて、インフレを除いて 50 ～ 60 億米ドルです。

10 パルス/秒で動作し、衝撃点火されたターゲットを介して 160 のエネルギー利得を生成する 650 kJ フッ化アルゴン レーザーを利用した、仮想の核融合エネルギー パイロット発電所における電力の流れ。 [J. ベイツとS.オーベンチェーン]

さまざまな提案のうち、どれだけの提案が必要な資金を集められるかはまだ分からない。 全員が公的資金と民間資金の混合を予想している。 例えばオーベンチェーンは、LaserFusionXの中核となる核融合技術を民間資金に依存することを目指しているが、発電所の巨大な障害の一部を克服するために米国エネルギー省が資金を提供してくれることを期待している。

競争力に必要な数百メガワットの電力を生成するには、核融合エネルギー発電所はおそらく 1 秒間に 10 回レーザーを発射する必要があります。

競争力に必要な数百メガワットの電力を生成するには、そのようなプラントはおそらく 1 秒間に 10 回レーザーを発射する必要があります。 そのためには、高い繰り返し率で効率的に動作するレーザーだけでなく、安価で大量生産されるターゲット、それらのターゲットを迅速かつ正確に位置決めするシステム、トリチウム製造プロセス、ターゲットチャンバーの内張り用の耐放射線性材料も必要となる。

レーザー自体に関しては、ガラス支持者もガス支持者も、より高い利得と組み合わせることで、必要な効率 (前者では 15% ～ 20%、後者では約 10%) を達成できると考えています。 しかし、どちらもポンプの課題に直面しています。 フッ化アルゴンレーザーは複雑なパルスパワー発生器に依存していますが、ガラスやその他の固体レーザーはダイオードを必要とし、従来のフラッシュランプよりもはるかに効率的ですが、現在は非常に高価です。

英国オックスフォード大学のピーター・ノーレイズ氏は、この挑戦​​の「驚異的な」規模を考慮すると、あらゆる選択肢を開いたままにしておくことが賢明だと考えている。 同氏によると、可能性の 1 つは、直接駆動と間接駆動の両方にわたる複数の概念を研究するために、最大 20 MJ のさらに大きなレーザーを構築することです。 同氏は、これにはおそらく400億米ドル程度と、非常に費用がかかることを認め、スイスでCERNを運営しているような政府間組織が必要になるかもしれないと付け加えた。

ハリケーンもノーリーズ氏の警戒心を共有し、直接的であれ間接的であれ「核融合エネルギー応用の勝者を選ぶ」にはまだ時期尚早だと主張した。 実際、核融合エネルギーが経済的に実行可能になるまでには、おそらく「何十年もかかる」だろうと同氏は考えている。

しかし、ノーレイズ氏が言うところの「ハイリスク、ハイリターン」な核融合エネルギーへの道を、多くの人が進んで進んでいる。 実際、カリフォルニアの企業ロングビュー・フュージョン・エネルギー・システムズは、NIFの目標設計に基づいた間接駆動技術により、2035年までに電力網に50MWを供給できると主張している。

ダイレクトドライブ技術の商業化を検討している企業は、それほど大胆ではありませんが、それでも非常に野心的な計画を立てています。 ダルムシュタット工科大学の教授であり、高速点火企業フォーカスト・エナジー社の最高科学責任者であるマルクス・ロス氏は、2030年代末までにパイロットプラントが完成すると予想している。 一方、オーベンチェーン氏は、「16 年以内にパイロットプラントの立ち上げを開始する」ことを構想しており、これについて彼は悪びれることはない。 「この分野に携わるには楽観的でなければならないと思います」と彼は言います。

エドウィン・カートリッジリッジは、イタリアのローマを拠点とするフリーランスのサイエンスライターです。

参考資料とリソースについては、optica-opn.org/link/0623-directdrive を参照してください。

発行日: 2023 年 6 月 1 日