慣性核融合

慣性核融合（inertial confinement fusion、略称 ICF）とは、レーザー光や粒子線をミリメートル級の燃料球に極めて短時間のうちに集中照射し、外表面の蒸発（アブレーション）によるロケット推進の要領で燃料を中心へ急速圧縮することで核融合反応を起こす方式である。燃料は自身の慾性によってわずか数十ピコ秒からナノ秒程度の間だけ高温高密度の状態を保ち、その間に反応が完結する。磁場による閉じ込めを用いる磁気核融合と対をなす方法で、太陽中心部に匹敵する条件を人工的に作り出す点を本質とする。

図が示すのは、間接駆動実験で用いられる典型的なターゲット構造である。左は長さ約11ミリメートルの高原子番号金属円筒（ホルラウム）で、レーザーは両端の窓から入る。右はその中心に置かれる球状カプセルで、外側から炭素アブレータ、タングステンドープ層、重水素と三重水素（DT）の氷層、中心のDTガスが同心に積み重なっている。

原理と歴史

燃料にはDT混合燃料が使われる。DT反応は重水素と三重水素が核融合してヘリウム4と中性子を生じ、1反応あたり17.6 MeVのエネルギーを放出する。慣性核融合の目標は、この燃料を固体密度の千倍以上に圧縮して、「ホットスポット」と呼ばれる中心部をまず点火させ、そこで生じたアルファ粒子が周囲の圧縮燃料を自己加熱することで燃焼波が伝播するという描像を実現することにある。閉じ込めが慣性に頼るため、必要なのは磁気核融合のような長時間の保持ではなく、粒子が飛び出す前に十分な反応を起こさせることである。これは密度と燃料半径の積（面密度）で評価され、ローソン条件の慣性版とみなせる。日本の研究では初期の段階で既に、燃料ペレットを常密度の千倍まで圧縮する実験的成功が報告されている。

この考え方は1970年代初頭にレーザー圧縮による点火・増倍の理論的見通しとして示されたが、米国ではその標的物理が核兵器研究と密接に関連していたため、長らく機密扱いであった。一方、日本など民間エネルギー利用を掲げた諸国ではオープンに研究が進められ、1988年には慣性核融合情報の公開と国際協力を促す「マドリッド・マニフェスト」が国際融合界から提唱された。これを受け、米国エネルギー省は6年後に分類指針を見直し、1990年代半ば以降、間接駆動による圧縮・点火研究の全体像が公刊されることになった。機密解除を契機にまとめられた理論体系は、圧縮動力学から流体不安定、点火閾値、高利得標的設計までを一貫した枠組みで示し、以後の世界の研究の基礎となった。

直接駆動と間接駆動

燃料球へのエネルギー供給の仕方には二つの大枠がある。直接駆動は、多数本のレーザー光を燃料球表面に直接当てる方式で、レーザーから燃料への結合効率が高いことが最大の利点である。ただしビームは離散的であり、表面に照射ムラが生じるため、ビームごとの光を空間的に均す平滑化技術が成否を左右する。照射の低次の不均一性がそのまま圧縮の非対称性として増幅されるため、これをいかに抑えるかが直接駆動研究の中心課題である。

間接駆動は、レーザー光を直接燃料に当てる代わりに、高原子番号金属製の円筒空洞（ホルラウム）の内壁で軟X線に変換し、そのX線でカプセルを一様に照射する方式である。X線駆動は照射の一様性に優れて擾乱の成長を抑えやすく、アブレーション速度も大きく、高温電子による予熱への感受性も低い。弱点は、レーザーが入射孔から壁に達するまでのプラズマのスケールが大きくなることである。長いスケールのプラズマ中ではブリルアン散乱やラマン散乱といったパラメトリック不安定が起こり、エネルギーの損失や予熱、対称性の乱れの原因となる。またビーム間のエネルギー移行が対称性を時間変化させ、制御を難しくする。間接駆動の本質的な利点は、駆動がX線場としてカプセルに伝わるため、レーザーか粒子ビームかという駆動源の種類に依存しない標的設計が可能な点にあり、このため重イオン加速器やzピンチを駆動源とする構想でも間接駆動が基調とされてきた。照射の対称性とエネルギー結合の両立のため、ホルラウム形状の改良は続いており、従来の円筒のほかに内壁に発泡金属を張ったもの、ラグビーボール型の空洞、段付きの変形円筒などが検討されている。

この図は、長いレーザーパルスでも対称性制御を可能にするために検討されている三つのホルラウム設計を並べたものである。左から発泡材内張り型、ラグビー型、そして段付き変形型（I-raum）であり、それぞれプラズマの充填条件やX線場の分布を変えることで、レーザーとプラズマの相互作用の緩和を狙ったものである。

圧縮物理と流体不安定

圧縮は多段階の衝撃波を時間差で打ち込むパルス整形によって行われる。衝撃が順次到達して燃料のエントロピー増加を最小に抑えれば、燃料はほぼフェルミ縮退の状態に近い等エントロピー圧縮となる。点火に必要な駆動エネルギーは達成できる内爆速度に強く依存し、圧縮殻の薄さ（飛行中のアスペクト比）を約30に保って毎秒3×10⁷センチメートルの内爆速度を得るには、放射温度でおよそ200 eVの駆動が必要と見積もられた。点火標的に対しては、吸収エネルギー約90 kJ、放射温度300 eV、駆動源からカプセルへの結合効率10〜15%とすれば駆動エネルギーは0.6〜0.9 MJ程度に収まるという見積もりが、後の大型装置の規模を決める目安となった。

圧縮を阻む最大の物理はレイリー・テイラー不安定である。減速の加速度が殻を押す加速相では、表面からのアブレーション流が短波長の擾乱を安定化する。減速相では高圧の燃料が殻を押す形となり、ここでは電子熱伝導が平滑化の役割を果たす。加速相の擾乱が球面を通り抜けて減速相に持ち込まれる「フィードスルー」を含めた結果、燃料内部の擾乱に実質的に寄与するのは球面調和次数でおよそ30〜40以下のモードに限られ、より高次のモードは膨張時に急速に減衰し、低次のモードも圧縮末期の平滑化作用で消える。このフォールド（fold）での増幅が全体で何倍になるか（指数増幅の回数）が内爆速度の上限を決め、それが点火閾値を決める。すなわち流体不安定の制御と点火条件は表裏一体である。

この理解に基づき、レーザーパルスの前方部分（フット）の出力を上げて初期の擾乱の種を平滑化し、アブレーション面前のスケール長を伸ばし、燃料の内部エネルギーを高めて圧縮率を抑えるという設計変更が行われた。従来設計が期待を大きく下回った背景には、高収縮率で増幅される三次元的不均一と混合があったが、この方針転換により性能が一桁以上改善され、ホットスポットがアルファ粒子による自己加熱に入る状態が初めて実証された。

図は国立点火施設で用いられた三種類のレーザーパルス波形を示す。緑が従来の低フット波形、赤がフット出力を大幅に上げた波形、黒が高密度炭素アブレータ用の三段衝撃波形であり、高密度炭素を用いるとパルスが短縮される様子が読み取れる。

さらに、1.8 keV以上の硬X線による燃料予熱を抑えるため、アブレータに適切な吸収端を持つ元素をドーピングする手法が確立された。タングステンのM吸収端（1.81 keV）はこの遮蔽に好適で、化学気相成長法で成長したダイヤモンド殻への均一ドーピングが実現し、従来の標準的な炭化水素アブレータに比べて短いパルス、高い内爆速度、燃料のエントロピー低減を同時に達成する標的が作られた。この標的を用いた実験は、3衝撃・7.5ナノ秒・1.6 MJのレーザーパルスにより、レーザー駆動の内爆で初めて中性子発生数1×10¹⁶の壁を破り、その後さらに一桁大きい1×10¹⁷級の発生が報告されている。

点火方式と高速点火

主流の「ホットスポット点火」は、圧縮と加熱を一つの内爆で同時に達成する方式で、中心部のDTガスがまず点火条件に達し、アルファ加熱を経て燃焼が氷層へ伝播する。これに対し「高速点火」は、圧縮と加熱を分離する構想である。すなわち通常どおり燃料を圧縮した後、超短パルス・超高強度レーザーで生成した高エネルギー電子または陽子を圧縮核の芯に直接打ち込んで加熱する。圧縮と加熱を分けることで、同一の利得をより低い駆動エネルギーと緩い標的加工精度で達成できる可能性があり、慣性融合エネルギーへの道を大きく変えうるとして注目されてきた。課題は、電子ビームが稠密プラズマ中をどれだけ効率よく、どの程度の広がりで輸送されるかであり、電子を用いる方式と陽子を用いる方式それぞれについて、ビームの生成・輸送・集束が理論と実験の両面から検討されてきた。大阪大学のレーザー装置による内爆と加熱の成果がこの方向の先鞭をつけ、ロチェスターの装置でも高速点火に適した内爆が試験された。

これ以外にも点火に至る経路の多様化が進んでいる。衝撃波点火は、圧縮の終盤に強い衝撃波を一撃で打ち込みホットスポット形成を促す方式で、衝撃波の安定性が鍵となる。また外部磁場を印加してアルファ粒子の飛程を磁場で拘束する磁化標的の構想や、円筒状の金属ライナーを-zピンチで内破して磁場と慣性の両方で燃料を閉じ込める磁化ライナー方式も盛んに研究されており、磁場印加による利得向上や燃焼伝播の制御が評価されている。

装置・診断・慣性融合エネルギー

点火実験の舞台となったのは、192本の周波数3倍波ネオジムガラスレーザーを備え、1.8 MJ・500 TW級の標的照射をルーティンに行う米国の国立点火施設である。フランスのメガジュールレーザーも同規模の点火施設として建設された。小型ではあるが学術研究の主戦場として、ロチェスター大学の60本ビーム・30 kJの紫外線レーザー装置が直接駆動研究を担い、その隣に建設された短パルス・ペタワット装置は強度6×10²⁰ W/cm²での高速点火物理の研究に用いられている。大阪大学にも高速点火用の大型短パルスレーザーが整備され、高速点火の実証研究が日米欧で並行して進められている。

圧縮核の中では中性子や帯電粒子、X線が大量に放出されるため、計測はよく考えられた核計測に頼る。中性子発生数の絶対測定、高速シンチレータによる燃焼履歴（放火の時間構造）の計測、帯電粒子のエネルギースペクトルによる燃料の面密度・温度推定、さらに同時多項目の分光計測などが整備され、実験値と放射流体シミュレーションを突き合わせる「合成核診断」によって、直接測れない圧縮核の状態量が推定されている。国立点火施設での成果は、完成後の約10年間で中性子発生量が20倍以上増加し、ホットスポット圧力が約300ギガバール（Gbar）に達して点火関連条件に近づいた点に象徴される。この進展は、低ガス充填ホルラウムによる後方散乱の抑制、高密度炭素アブレータの採用、対称性制御の改良といった設計改善の積み重ねによるものである。

エネルギー利用への展望として、慣性融合炉では燃焼後の生成物の回収、チャンバー壁の中性子・X線・破片損傷への耐性、標的の連続注入という課題が立つ。壁の保護方式には乾燥壁と厚い液体金属の壁という二系統があり、後者は重金属液体の壁をジェットで形作る方式として設計研究が進められてきた。また乾燥壁方式と直接駆動標的の組合せにはエキシマレーザーや半導体レーザー励起固体レーザーが、厚液体壁と間接駆動の組合せには重イオン誘導加速器が想定され、いずれも高繰り返し運転を前提とする。核種の異なる燃料サイクル（DT、DD、触媒DD）の燃焼性能の比較や、燃焼生成プラズマのエネルギー回収といった工学的課題も検討対象であり、点火実証の次の段階として、統合的な発電システムの設計が国際的に進められている。