レーザー核融合

レーザー核融合：高出力レーザーで実現する核融合エネルギー

レーザー核融合とは、強力なレーザー光を用いて核融合反応を起こし、莫大なエネルギーを取り出す技術です。核融合反応を成功させるには、燃料プラズマを極めて高温、高密度に保つ必要があります。磁気閉じ込め方式とは異なり、レーザー核融合は慣性核融合の一種で、燃料ペレットをレーザーで超高密度に圧縮、加熱し、短時間に核融合反応を完了させます。

レーザー核融合の仕組み：燃料ペレットの爆縮

レーザー核融合では、重水素と三重水素の混合物を含む小さな球状の燃料ペレット（ターゲット）を使用します。ペレットの中心部に高出力レーザーを照射すると、ペレット表面が急激に加熱され、プラズマ化します。このプラズマの膨張による反作用で、ペレットは中心に向かって爆縮し、極めて高い圧力と温度が中心部に生じます。この状態下で、重水素と三重水素の核融合反応が発生し、大量のエネルギーが放出されます。

核融合反応：

[重水素] + 三[重水素] → ヘリウム(⁴He) + [中性子] + エネルギー

この反応で生じるヘリウムイオンは、さらにプラズマを加熱し、連鎖反応を促進する役割を果たします。最終的に、レーザー照射によって投入されたエネルギーよりもはるかに大きなエネルギーが得られます。

従来とは異なるレーザー核融合：陽子線照射

近年、従来のレーザー核融合とは異なるアプローチも開発されています。これは、プラズマ化したホウ素11に陽子線を照射することで核融合反応を起こす方法です。

[核融合反応]：

陽子(p) + ホウ素11(¹¹B) → ヘリウム(⁴He) + エネルギー

この反応では、中性子が発生しないため、放射線被ばくのリスク軽減が期待されます。しかし、レーザーから陽子線への変換効率が低く、現状ではエネルギー利得が低いという課題があります。

レーザー核融合の種類：直接照射と間接照射

レーザー核融合には、レーザーの照射方法によって直接照射方式と間接照射方式の2種類があります。直接照射方式では、レーザー光を燃料ペレットに直接照射します。一方、間接照射方式では、ペレットをX線を発生させるホーラムと呼ばれる容器に入れ、ホーラムにレーザーを照射し、発生したX線でペレットを加熱します。それぞれの方式に長所・短所があり、研究機関によって最適な方法が選択されています。

中心点火と高速点火

点火方法にも、中心点火と高速点火の2種類があります。中心点火方式は、一度のレーザー照射で爆縮と点火を同時に行う方式です。一方、高速点火方式は、まずペレットを爆縮させた後、その短時間後に超高強度・超短パルスレーザーを照射して点火する方式です。高速点火方式は、必要なレーザーエネルギーが少なく、球対称性の条件が緩和されるという利点があります。

レーザー核融合の実用化に向けた課題

レーザー核融合の実用化には、多くの技術的課題があります。

エネルギー効率： レーザー発生装置の効率向上は必須です。現在、消費エネルギーに対するレーザー出力の効率は非常に低く、実用化には大幅な改善が必要です。
炉容器： 高エネルギーの衝撃、X線、中性子などの影響から炉容器を保護する技術が重要です。
燃料ペレット： 安価で、高品質な燃料ペレットの大量生産技術が必要です。
レーザー装置の寿命： 長期間にわたって安定して動作するレーザー装置の開発が必要です。

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