点火

点火とは、核融合プラズマにおいて融合反応で生じた生成物がもたらす加熱が、放射損失や熱伝導損失を上回り、外部からの加熱なしにプラズマが自発的に高温を維持・増大する状態のことである。熱核融合研究における中心的な目標がこの状態の実現であり、磁場閉じ込めと慣性閉じ込めという二つの主要なアプローチのいずれでも、点火条件を満たすことが最終的な関門とされてきた。重水素と三重水素の融合反応 D + T → n (14.1 MeV) + α (3.5 MeV) では、帯電したα粒子がプラズマ中にエネルギーを預けるのに対し、中性子は逃げてしまうため、自己加熱の主役はα粒子である。点火に至れば反応率が温度の上昇とともに急増する熱核的不安定性が働き、燃焼が周囲の燃料へ伝播していく。

点火とローソン条件

自己加熱が持続するために必要な条件は、プラズマの密度、温度、閉じ込め時間の組み合わせで表され、ローソン条件と呼ばれる。その物理的な意味は単純である。α粒子が単位体積あたり単位時間に付与するエネルギーは密度の二乗に比例し、一方で損失は熱伝導と放射によって決まる。密度と温度が高く、エネルギーを長く閉じ込められるほど、生成と損失の収支が黒字に向かう。重水素–三重水素燃料では、イオン温度が約10 keV（約1億度）を超え、密度と閉じ込め時間の積が一定値を超えたあたりで条件が満たされる。この「三重積」が融合研究の進捗を測る共通の物差しとなってきた。

慣性閉じ込めでは、閉じ込め時間が極めて短いため、条件は燃料の面密度 ρR（密度と半径の積）と温度で書き換えられる。中心に形成された高温の「ホットスポット」がα加熱で自己加熱を始め、周囲の高密度低温燃料へ燃焼波を伝播させるには、ホットスポットの温度と面密度が臨界線を越える必要がある。この臨界線はホットスポットのエネルギー収支モデルから求められ、温度が低いほど必要な面密度が急増する。図は、ホットスポットの自己加熱が成立する領域と点火領域を温度–面密度平面上に示したものであり、α粒子加熱のみを考慮した場合と、14.1 MeV中性子の一部がホットスポットにエネルギーを預ける場合を比較している。中性子は電気的に中性のためクーロン衝突でなく核弾性散乱でエネルギーを渡すが、その平均自由行程は点火級燃料の面密度より大きく、通常は無視できる。ただし高利得級の大面密度燃料では中性粒子ビーム加熱が無視できなくなり、必要面密度を下げる方向に働く可能性が示されている。

慣性閉じ込め融合における点火：ホットスポットとα加熱

慣性閉じ込め融合では、レーザー等の駆動力で燃料カプセルを一瞬で圧縮・加熱し、中心に高温高密度のホットスポットを形成する。圧縮は数十ナノ秒のうちに終わり、減速・滞留の段階でホットスポットが形成される。ここでα粒子の飛程がホットスポットのサイズより短くなれば、α粒子は生成した場にエネルギーを預け、自己加熱が始まる。自己加熱が損失を上回ると温度と反応率が正のフィードバックで増大し、点火に至る。点火後は燃焼波が外側の主燃料へ伝播し、カプセル全体の融合出力（利得）が決まる。燃焼伝播の速度が燃料の崩壊（断熱膨張）速度より速いことが持続的な燃焼の条件であり、この自己制御的なふるまいは1970年代の流体計算以来よく研究されてきた。

ホットスポットの性能を損なう要因は多岐にわたる。駆動の非対称性はホットスポットの形状と運動を乱して性能を下げ、カプセルに設けられた燃料ガス注入管のような微細構造や、燃料とカプセル材料の混合は放射損失を増やす。圧縮された燃料密度が設計より低ければ面密度が足りず、α加熱が効かない。したがって点火実現は、単に駆動エネルギーを増やすことではなく、これらの損失機構を一つずつ潰していく精密な制御の問題であった。

NIFにおける点火の診断と達成

米国の国立点火施設（NIF）では、レーザー光を高Z材料の空洞（ホールラウム）に入射してX線に変換し、そのX線でカプセルを球面一様に圧縮する間接駆動方式が主に用いられてきた。点火への道のりは、ホールラウムのエネルギー収支、カプセルの対称性、混合、圧縮度といった要素を精密に診断しながら、設計を反復改善する過程であった。中性子スペクトルからイオン温度と散乱中性子比（面密度の指標）を、ガンマ線履歴診断から燃焼継続時間を、X線撮影から衝撃波速度と圧縮の質を独立に測定することで、どの機構が性能を制限しているかを特定できた。

2021年以降、NIFの間接駆動実験はついに点火と科学的損益分岐点（ターゲット利得、すなわち融合出力を入射レーザーエネルギーで割った値が1を超えること）を達成した。図は、融合中性子収量をイオン温度、散乱中性子比、燃焼継続時間に対して示したものであり、赤で示した2021年8月の発射（レーザーエネルギー1.9 MJ）が点火のローソン条件を超え、2022年12月の発射（2.0 MJ）がさらに高い収量を記録したことを表している。イオン温度の上昇、面密度の増大、燃焼時間の延長という複数の独立な測定が一致してα加熱・燃焼伝播・点火の開始を示すことが、点火宣言の根拠となった。

代替点火方式：高速点火と衝撃波点火

中心点火（central spark ignition）では、圧縮と加熱を単一の駆動パルスで同時に行うため、必要な駆動エネルギーが大きく、圧縮の対称性が厳しく要求される。これに対し、圧縮と点火加熱を分離する代替方式が複数提案されてきた。

高速点火（fast ignition）では、まず駆動レーザーで燃料を高密度に圧縮しておき、その後に数ピコ秒（典型的には10 ps程度）の超強力短パルスレーザーを照射して、圧縮コアの端に点火スポットを形成する。レーザーが生成するMeV級高速電子がコアまでエネルギーを運ぶが、電子はコロナプラズマ中で散乱されるため輸送効率が課題であり、加熱コーンを燃料に挿入して電子の経路を短くするコーン・イン・シェル方式や、強磁場で電子ビームを案内する方式、抵抗率勾配で作る磁気ミラーによる閉じ込めなどが研究されてきた。等容（一様密度）モデルでの点火条件は温度12 keV超・面密度0.5 g/cm²超と見積もられ、点火エネルギーは密度のべきで減少する経験式が与えられている。図は、ピコ秒レーザーによる電子ビーム加熱のシミュレーション結果と、半無限燃料中の半球状ホットスポットのモデル、および燃焼伝播とホットスポット崩壊の模式図を示したものである。端に置かれたホットスポットでは真空との界面を通じた質量流出による新たなエネルギー損失（ホットスポット崩壊）が生じ、燃焼波の伝播速度が希薄化波の進行を上回ることが持続燃焼の条件となる。図中の位相図は、端に置かれたホットスポットに対して修正された点火条件と、必要点火エネルギーの最小値（面密度約0.44 g/cm²、温度約18 keVで約4 kJ）を示している。また、圧縮と加熱が時間的に分離される高速点火では、燃焼が端から内側へ伝わるため実効的な光学的厚みが大きく、中性粒子ビーム加熱の影響が中心点火より強く現いうることも指摘されている。

衝撃波点火（shock ignition）は、圧縮の終盤に強い収束衝撃波を追加照射してホットスポットの形成を助ける方式である。圧縮用の駆動と点火用の衝撃波を同じレーザーで時分割的に与えられるため装置は単純だが、衝撃波生成に必要な強度ではレーザー・プラズマ不安定性が顕在化しやすく、衝撃波の制御とターゲット設計の頑健性が研究課題となっている。これらの代替方式は、いずれも点火に必要な駆動エネルギーの低減を狙ったものであり、高速点火ではイオンビームを加熱手段とする案も含めて、粒子のエネルギー・変換効率・スペクトルが満たすべき要件の実験的検証が進められている。

磁場閉じ込めにおける点火

磁場閉じ込めでは、トカマク等の磁場配置で高温プラズマを長時間閉じ込め、α粒子加熱が外部加熱を上回る状態を目指す。ローソン条件は空間的に一様な仮定で導かれることが多いが、実際のトカマクでは密度や温度に空間分布があるため、条件の評価には空間依存性の効果を織り込む必要がある。磁場閉じ込めでは閉じ込め時間が慣性閉じ込めより桁違いに長い一方、密度ははるかに低く、条件は三重積の形で評価される。トカマクではα粒子加熱による自己加熱が支配的な「燃焼プラズマ」の実現が点火への段階とされ、スフェロマク等の代替配置でも直接イオン加熱を併用して点火条件への接近を図る研究が行われてきた。慣性閉じ込めでの点火達成は、磁場閉じ込め側の燃焼プラズマ研究とも共通するα加熱物理の実験的基盤を与えている。