磁石は核融合の未来かもしれない

科学者にとっても夢想家にとっても、エネルギーが豊富な未来への最大の希望の一つは、サンフランシスコ東部のワイナリーが立ち並ぶ谷間にあります。

ここには、カリフォルニア州ローレンス・リバモア国立研究所の国立点火施設（NIF）がある。NIFの箱型の壁の中で、科学者たちは太陽のエネルギー源と同じ物理法則である核融合を作り出す研究を行っている。約1年前、NIFの科学者たちは、投入したエネルギーよりも多くのエネルギーを生み出すという、核融合の探求における重要なチェックポイントに誰よりも近づいた。

残念ながら、核融合に詳しい人にとってはおなじみの結果だが、その世界は待たなければならなかった。この成果から数か月後、NIFの科学者たちはその偉業を再現することができなかった。

しかし、彼らは諦めていない。そして、11月4日にPhysics Review Letters誌に発表された最近の論文は、何十年もエネルギー探求者を悩ませてきた問題の解決に一歩近づくかもしれない。彼らの最新の技は、強力な磁場の流れの中で核融合を起こすことだ。

核融合発電は、簡単に言えば、太陽の内部を模倣することを目的としています。特定の水素原子を衝突させてくっつけると、ヘリウムと大量のエネルギーが得られます。問題は、実際に原子をくっつけるには非常に高い温度が必要であり、その結果、核融合のオペレーターはまず膨大な量のエネルギーを費やす必要があることです。

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実現可能な核融合発電所の建設を考える前に、投入したエネルギーよりも多くのエネルギーを何らかの方法で作り出す必要がある。その転換点、つまりプラズマ物理学者が点火と呼ぶ点こそが、核融合の最も長く追い求められてきた目標である。

NIF が選んだ容器は、人間の爪よりも小さい金メッキの円筒形容器です。科学者たちはその円筒形容器を「空洞」と呼んでいます。この容器には、コショウの実ほどの大きさの水素燃料ペレットが入っています。

核融合の際には、科学者らは精密に調整されたレーザー光線を空洞に照射する。NIFの場合、その数は全部で192本。このレーザー光線は円筒に十分なエネルギーを与え、内部で激しいX線を発生させる。すると、そのX線がペレットを覆い、圧縮して激しく打ち付け、水素原子を核融合させる。少なくとも、それが期待されている。

NIFはこの方法を使って、2021年後半に投入エネルギーの約70％を生成するという驚異的な成果を達成した。これは当時の記録をはるかに上回るものだ。プラズマ物理学者にとって、それはサイレンの呼び声だった。「コミュニティに新たな熱意を吹き込んだ」と、ドイツのヘルムホルツ研究所イエナの物理学者マット・ツェプフは言う。核融合関係者は疑問に思った。NIFはもう一度それをできるだろうか？

結局、彼らは待たなければならなかった。その後のレーザー照射は、最初のレーザー照射に近づくことすらできなかった。問題の一部は、科学者があらゆる知識と能力を持っていても、照射が正確に何をもたらすかを予測することが非常に難しいということだ。

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「NIFの爆縮は現在、その性能に大きな変動が見られますが、これはターゲットの品質とレーザーの品質のわずかな変化が原因です」とNIFの物理学者ジョン・ムーディ氏は言う。「ターゲットは非常に優れていますが、わずかな欠陥が大きな影響を及ぼす可能性があります。」

物理学者たちはレーザーの微調整や燃料ペレットの改良を続けることもできるだろう。しかし、その性能を向上させる第3の方法があるかもしれない。それは、空洞とその燃料ペレットを磁場に浸すことだ。

ニューヨーク州ロチェスターのオメガやニューメキシコ州サンディアのZマシンなど、他のレーザーを使ったテストでは、この方法が効果的であることが示されていた。さらに、NIF独自のレーザーのコンピューターシミュレーションでは、磁場によってNIFの最高の性能を発揮するショットのエネルギーを2倍にできることが示唆された。

「事前に磁化された燃料により、目標やレーザー照射が希望と多少異なる場合でも、良好な性能が得られるようになる」と論文の著者の一人であるムーディー氏は言う。

そこでNIFの科学者たちは自分たちで試してみることにしました。

まず最初に、空洞を交換する必要があった。純金ではうまくいかない。彼らのような磁場の下に金属を置くと、シリンダーの壁に電流が流れ、シリンダーが壊れてしまうからだ。そこで科学者たちは、金とタンタルの合金から鍛造した新しいシリンダーを作った。タンタルは電子機器に使われる希少金属だ。

次に、科学者たちは新しい空洞に水素ペレットを詰め、磁場をオンにして、発射の準備を整えた。

実際に、磁場は効果を発揮した。同様の磁石なしのショットと比較すると、エネルギーは3倍に増加した。確かに低出力のテストショットだったが、結果は科学者に新たな希望の光を与えた。「この論文は大きな成果だ」と、報告書の著者ではないゼプフ氏は言う。

それでも、この成果はまだ初期段階であり、「走る前に歩くことを学んでいるようなものです」とムーディー氏は警告する。次に、NIF の科学者たちは、他のレーザー装置でこの実験を再現しようとする。それができれば、さまざまなショットに磁場を追加できることが分かるだろう。

物理学のこの曖昧な領域における他のことと同様、これだけでは核融合の問題の全てを解決するのに十分ではない。NIF が点火に成功したとしても、その後に第 2 段階が来る。つまり、投入したエネルギーよりはるかに多くのエネルギーを生成できるようになることであり、物理学者はこれを「ゲイン」と呼ぶ。特に NIF の限られたサイズのレーザーにとっては、それはさらに不吉な探求であると Zepf は言う。

それでも、核融合の世界の目は注視している。ゼプフ氏は、NIF の成果は世界中の同様の施設に、レーザー照射を最大限に活用する方法を教えることができると語る。

十分に高い利得を達成することは、さらに先の段階、つまり核融合発電の熱を実際に実現可能な発電所の設計に変えるという段階の前提条件です。これは素粒子物理学者にとってまだもう 1 つのステップであり、核融合コミュニティがすでに取り組んでいるプロジェクトです。