核融合ターゲット

核融合ターゲットとは、慣性核融合においてレーザー光や粒子線のエネルギーを集中照射されることで核融合反応を起こす、数ミリメートル程度の小球状の燃料カプセルである。中心に重水素（D）と三重水素（T）の混合燃料を、その外側に焼却層（アブレータ）を配置した多層球構造を持ち、外部からの駆動エネルギーによって一瞬で内側へ爆縮され、燃料を極限まで高密度・高温に圧縮することで核融合点火を引き起こす。核融合炉の観点では、ターゲットは「燃やす燃料そのもの」であり、その設計・製作・品質が炉の利得（ゲイン）を直接左右する。

構造と種類

標準的なターゲットは、外側からアブレータ殻、固体D–T層、中心のD–Tガス核という三層構造をとる。アブレータは照射エネルギーを吸収して表面から蒸発・飛散することで反作用のロケット推力を生み、内側の燃料を圧縮する役割を担う。駆動方式に応じて形状や構成は多様であり、レーザーを殻表面に直接照射する直接駆動用の球殻、レーザーをX線に変換して照射する間接駆動用の円筒ホルラウム（キャンドル）に入れた球殻、Zピンチや重イオンビームなど粒子線駆動用のターゲット、さらに電気的なインピロージョンで円筒状のターゲットを圧縮する方式などが研究されてきた。また、点火を別の短パルス加熱で行う高速点火では、予圧縮した高密度燃料コアに電子・陽子・イオンビームを注入するため、加熱ビームの通り道となる円錐状ガイドを組み込んだターゲットなども設計されている。ターゲットの規模は設計思想によって大きく異なり、高利得を狙う炉用ターゲットから、小規模で利得1超を狙う小型ターゲットまで設計空間が議論されてきた。

典型的な低温D–Tターゲットの断面構造を示す。

図は、外側のアブレータ殻とその内面に凝縮した固体D–T層、中心のD–Tガスからなる球状ターゲットの断面を模式的に描いたものである。このようにターゲットは「殻＋燃料層＋ガス核」という同心球構造が基本形であり、以降の各節で述べる製作・爆縮・点火のすべてがこの構造の均一性を前提としている。

製作と低温燃料層形成

ターゲット製作は慣性核融合研究の技術的基盤であり、米国では複数の大型研究所で点火実験用ターゲットの製作技術が体系化されてきた。要求される精度は極めて厳しく、球の真球度、殻厚の均一性、層表面の粗さなど、わずかな構造欠陥が爆縮の非一様性を通じて性能を大きく低下させるため、製作技術の進歩は実験の成否に直結する。アブレータ殻にはポリマー、ベリリウム、ガラスなどが用いられ、D–T燃料は低温で殻の内面に固体層として凍結させる。

固体D–T層を一様に形成する鍵となるのがβ層化（ベータ・レイヤリング）と呼ばれる手法である。三重水素のベータ崩壊が燃料内部で発熱源となり、固体表面の凹凸では凸部が昇華して凹部に再凝縮するという昇華・凝縮の繰り返しが自発的に起こり、層厚が次第に平滑化される。この巧妙な自己修復機構によって、重力に逆らって殻内面に均一な固体層を保つことが可能になった。一方で近年、凝固過程における同位体分別（アイソトポログ分別）が新たな課題として認識されている。DとTでは凝固速度に差があるため、非平衡凝固が進むと固体層内にTリッチ層とDリッチ層が半径方向に分離するマクロ偏析が生じうる。この組成勾配は燃料の均一性を損ない、爆縮の非一様性の原因となるため、三重水素の放射能による取扱いの困難さもあり、熱伝導・物質輸送・凝固・体積収縮を統合した三次元数値シミュレーションによる定量評価が進められている。また、粒子線駆動用ターゲット向けに微量の三重水素を封入・監視する小型装置の開発など、燃料封入技術も独自の発展を遂げてきた。

駆動方式：直接駆動・間接駆動・高速点火

ターゲットへのエネルギー投入方法は、大きく分けて直接駆動、間接駆動、高速点火の三つに整理される。直接駆動はレーザー光をターゲット表面に直接当てる方式で、エネルギー結合効率が高い一方、照射むらが直接流体力学的擾乱としてターゲットに焼き付く（インプリント）という難しさを持つ。この対策として、殻の外側に低密度フォーム層を設けて照射むらを平滑化するフォームバッファ型ターゲットなどが研究された。間接駆動ではレーザーを高Z金属製の円筒空洞内壁に照射してX線に変換し、そのX線でターゲットを均一に照射する。照射むらの平滑化には有利だが、変換損失のため結合効率は低い。米国国立点火施設（NIF）では間接駆動方式によって2022年以降、ターゲット利得（核融合出力／入射レーザーエネルギー）が1を超える科学的損益分岐点が達成され、燃焼プラズマと点火が過去形で語られる段階に至った。これは数十年にわたるターゲット設計の最適化の積み重ねによるものである。

高速点火は、圧縮と加熱を分離することで駆動レーザーの制約を大幅に緩和し、かつ利得を高めることを狙った方式である。まずナノ秒レーザーで燃料をほぼ最大密度まで予圧縮しておき、その後ピコ秒の超短パルスレーザーで生成した高速電子、あるいはレーザー駆動の高強度陽子・イオンビームを高密度コアに注入して局所的に点火させる。陽子ビームは電子ビームに比べて輸送中のエネルギー散逸が少なく、コアへの集束性が高いことが利点とされ、重水素ビームによる点火エネルギー増強の検討や、イオンビームに必要なエネルギー・輻照条件の評価などが進められている。また、圧縮段階の収束衝撃波を利用して点火する衝撃点火（ショックイグニッション）も、高速点火の変種としてターゲットのロバスト性とともに研究されている。これらの方式では、非局所電子輸送や熱伝導のフラックス制限モデルの選択が予測性能に敏感に影響するため、設計には高精度な輸送物理の理解が不可欠である。

爆縮物理と点火利得

ターゲット性能の中心概念は点火と利得である。爆縮によって燃料は高密度・高温に圧縮され、中心部に自己維持的な熱核燃焼反応が走る臨界点（点火）に達する必要がある。点火条件は燃料の面密度とイオン温度でほぼ決まり、これを満たしたとき熱核反応率が爆発的に増大する。利得は核融合出力を投入エネルギーで割った値で、キッダー（Kidder）やボドナー（Bodner）らによるモデルを改良した解析や、摂動を受けたターゲットに対する点火条件・利得予測の研究など、理論面からの理解が深められてきた。利得を最大化するには、圧縮の効率、燃料の等エントロピー性（余分な加熱を避けて低いエントロピーを保つこと）、そして収束比（初期半径と最終半径の比）のバランスを取る必要があり、レーザー波形とターゲット構造を同時に最適化するハイブリッド設計が行われる。また、ターゲットチャンバー内の残留ガス密度が誘導ラマン散乱を介してレーザー伝搬に影響を与えるなど、ターゲット周辺の環境も性能に無視できない制約を課す。

流体力学的不安定性とターゲットの頑健性

慣性核融合の本質的難所は、爆縮が本質的にレイリー・テイラー不安定性（RT不安定性）を含むことにある。軽い流体を重い流体で支える状況、すなわち減速される高密度燃料が低密度の高温プラズマに押される状況では、界面の擾乱が指数関数的に成長し、燃料と周囲物質の混合（ミックス）を引き起こして点火温度に達する前に燃焼を阻害する。擾乱の種（シード）となるのは、レーザー照射むらのインプリント、ターゲット表面の粗さや真球度の偏差、そして前述の燃料層内の組成偏析である。密度勾配を持つアブレータでは加速段階のRT成長率が変化し、非一様な固体D–T層がもつ密度差も不安定性のシードとなりうることが示されている。

固体D–T層内の組成偏析がRT不安定性のシードとなる様子を示す。

図は、Tリッチの高密度層とDリッチの低密度層が交互に並んだ燃料層がレーザー（矢印）で加速される際、層界面にレイリー・テイラー不安定性が成長する様子を模式的に描いたものである。このように燃料内部の偏析は、製作公差と同様に爆縮性能を制限する固有の擾乱源となる。

このためターゲット設計では、単に理想形状での性能を最大化するだけでなく、製作誤差や照射むらに対する頑健性（ロバスト性）が重視される。摂動を受けたターゲットでの点火条件の評価、三次元シミュレーションによる爆縮の解析、磁化ライナー慣性融合におけるミックスの起源と影響の評価など、非理想性を織り込んだ設計研究が進められている。点火・高利得の実現が現実のものとなった現在、ターゲットの製作精度と頑健性の向上は、慣性核融合を炉として成立させるための中心的課題であり続けている。