国立点火施設

国立点火施設（National Ignition Facility、NIF）は、アメリカ合衆国カリフォルニア州のローレンス・リバモア国立研究所に建設された、世界最大かつ最高エネルギーのレーザー実験施設である。192本のレーザービームを一斉に重水素・三重水素（DT）燃料の小球に収束させ、核融合点火——投入エネルギーを上回る核融合エネルギーの放出——を実現することを主目的とする。レーザー光は波長351 nmの紫外光に波長変換され、標的に最大1.8 MJ、500 TWを照射できる。この規模の実験装置により、恒星内部や惑星中心部にしか自然には存在しない極高温・極高圧の状態を実験室に再現することが可能となった。

図はNIFの慣性核融合実験で用いられる標的の実例である。(a)はX線ラジオグラフ、(b)は高分解能X線CTで再構成したダイヤモンド焼蝕材シェルの断面像で、内径1.82 mmの球殻に未ドープ層とタングステン添加層が積層している様子が見える。このようなミリメートル級の球殻標的が、NIF実験の中心対象である。

概要と歴史

NIFは、レーザー核融合の長年の目標であった「実験室での点火とエネルギー利得」を実証するために構想された。建物は約26,000 m²の環境制御された施設で、直径10 mの標的チャンバーと約100の診断装置の搭載スペースを備える。建設は段階的に進められ、2002年末にはまず4本のビームが稼働を開始してレーザー性能実験と物理実験に用いられ、2009年3月に完成・正式供用となった。全192本のビームは基本波の1053 nmで400万ジュールを超える光を発生させ、世界初のメガジュール級レーザーとなった。

完成直後の2009年には、全192ビームを用いたホールラウム（後述のX線変換容器）のエネルギー実験が開始され、点火規模のホールラウムに1 MJを照射して285 eVの放射環境を生成し、対称性や後方散乱、熱電子生成に関する点火設計要件を満たすことが示された。さらに約1.3 MJの入射で点火設計点である300 eVの駆動温度に達する見通しも得られた。2010年9月には初の低温層状DT標的を用いた圧縮実験が実施され、レーザー・標的・診断の統合運用が実証された。

NIFのミッションは核融合点火に限らない。国家安全保障（在庫管理に関わる高エネルギー密度物理）、基礎科学（物質の状態方程式や強度、実験室天文学）、そして慣性核融合エネルギーへの道筋の提示である。点火と利得の実証は、慣性核融合エネルギーの実現可能性を示す決定的な一歩と位置づけられている。

レーザーシステムと構成

NIFのレーザーはネオジムガラスを増幅媒質とする大型レーザー体系である。1本の主発振器から分岐した光を、多段のガラス増幅器で増幅し、192本のビームラインに振り分ける。各ビームは1053 nmの赤外光として増幅された後、結晶による高調波変換で351 nmの三倍高調波（3ω）紫外光に変換されて標的チャンバーへ導かれる。紫外光への変換は、レーザー光とプラズマの相互作用を抑え、X線変換効率を高めるために不可欠である。

設計性能は1.8 MJ・500 TW（3ω）であり、運用開始後は1.6 MJ級の紫外光を高い信頼性で日常的に標的に供給し、設計値の1.8 MJ・500 TWを達成、さらにピーク出力410 TWで1.9 MJの標的実験も行われた。2017年には単一のビーム群（クアッド）だけでの高出力試験も実施され、1クアッドで約54 kJ、1ビーム開口で14 kJの紫外光を達成した。これはネオジムガラス・三倍高調波体系として当時最大のエネルギーである。このようにNIFは、エネルギー・出力・パルス幅を実験要求に応じて広範囲に可変して供給できることが運用上の特長となっている。

192本のビームは標的に対して決まった幾何配置で入射する。間接駆動では上下の円筒孔からビームを入射し、直接駆動では球状標的を均一に覆うように配置する。ビームの指向合わせには自動アライメント系が用いられ、制御機器の自律監視による異常予測など、多数のショットを効率的に遂行するための運用技術も整備されている。

標的と駆動方式

NIFの標的は、薄い球殻（焼蝕材、アブレータ）の内面に凍結したDT燃料層を持ち、中心にDTガスを封じたミリメートル級のカプセルである。標準的な駆動方式は間接駆動で、カプセルを約1 cmの高Z金属（金など）円筒「ホールラウム」の中心に置き、レーザー光を円筒内壁に照射してX線に変換する。このX線がカプセル表面を一様に加熱・焼蝕し、ロケットのように内側へ加速して燃料を圧縮する。X線駆動はレーザー直接照射に比べて非一様性を平滑化できる利点がある一方、レーザープラズマ相互作用による後方散乱や熱電子発生、ホールラウム内のプラズマ流による駆動対称性の歪みなどが主要な課題となる。低ガス充填ホールラウムなど、これらの非対称性を統合シミュレーションで理解し抑える試みが進められてきた。

間接駆動に対して、レーザー光をカプセルに直接照射する直接駆動がある。直接駆動は結合効率で優れるが、球面上のビーム配置から生じる駆動の非一様性が課題であり、NIFではビームを赤道面から斜めに入射させて非一様性を低減する「ポーラードライブ」方式が研究されてきた。ポーラードライブは中性粒子源用の湿式フォーム標的への応用なども検討されている。また、外側カプセルの内側に別の燃料殻を持つ「ダブルシェル」標的や、ホールラウムの代替照射方式など、間接駆動の枠内でも多様な標的概念がNIFで試験されている。

焼蝕材の材料選択は圧縮性能を左右する。従来標準だったCHプラスチック（密度約1 g/cm³）に対し、高密度カーボン（HDC、ダイヤモンド）焼蝕材は密度が高く、短いレーザーパルスと高い圧縮速度を可能にし、燃料のエントロピー増加も抑えられる。一方で短パルス・高強度化は1.8 keV超の非熱的硬X線による燃料予熱を招くため、X線を選択的に吸収するドーパント層が必要となる。タングステンのM殻吸収端（1.81 keV）はこの目的に合致し、化学気相成長法によるタングステン添加ダイヤモンドシェルが実用化された。この標的を用いた三段衝撃波・1.6 MJのパルスによる圧縮実験は、レーザー駆動圧縮として初めて中性子収率1×10¹⁶の壁を突破した。

国立点火キャンペーンと点火への道

NIFの中心的な計画は、点火実証を目指す国立点火キャンペーン（National Ignition Campaign、NIC）である。これはローレンス・リバモア研究所を中心に、ロスアラモス、サンディアの各国立研究所、ゼネラル・アトミクス、ロチェスター大学レーザーエネルギー学研究所などが参加する国家的な取り組みで、診断装置、低温標的操作装置、トリチウム運用設備まで含めた点火実験体系の整備と、2010年からの点火キャンペーン実施を掲げた。

点火の設計は「中心ホットスポット」方式に基づく。球状カプセルのDT燃料を一斉に圧縮すると同時に、中心に残る高温・高密度のホットスポットで核融合反応を開始し、アルファ粒子の加熱（アルファ加熱）が燃料全体の伝播燃焼を引き起こすことを狙う。キャンペーンでは、ホールラウムのエネルギー輸送、衝撃波の同時到達（多段衝撃）、燃料の断熱圧縮（低エントロピー化）、駆動対称性（モード1成分の制御など）を段階的に検証する実験が積み重ねられた。減速期の不安定度を自己発光増強法で可視化する診断や、燃焼時のカーボン焼蝕材面密度の測定など、圧縮芯の性能を評価する手法も発展した。

道のりは平坦ではなかった。初期の設計ではレーザープラズマ相互作用や駆動対称性の問題が性能を制約し、計画された時期に点火には至らなかった。しかしその後の標的設計の改良——低ガス充填ホールラウム、高密度カーボン焼蝕材、パルス波形の最適化、低断熱指数運転での収率向上の実証など——により、間接駆動の中性子収率は7.5×10¹⁴から10¹⁶、さらに10¹⁷の壁を超えるまでに向上した。燃焼プラズマ実験ではアルファ加熱の寄与が分析され、燃焼するプラズマの物理が実験的に検証される段階へ進んだ。これらの進展は、実験室での点火とエネルギー利得という目標に向けた着実な前進を示すものである。

診断、ミッションと応用

NIFには約60系統のX線・光学・核診断装置が整備されている。核融合反応の歴史を1 ps分解能で測定する中性子検出器、高密度プラズマからのX線トムソン散乱信号の測定、燃焼プラズマ中で上方散乱されたDT核融合中性子の分析など、点火物理を直接検証するための診断が発展してきた。診断装置自体も過酷な環境に晒されるため、例えば光学トムソン散乱診断を保護するキセノンプラズマX線シールドの設計のように、診断側の工夫も重要な研究対象である。

点火実験以外では、NIFは高エネルギー密度科学の中心的施設として幅広いミッションを担う。物質の状態方程式と強度の測定、実験室天文学、核物理など、温度1億K・圧力10¹¹気圧級の状態を扱う研究が行われている。また、点火と利得の実証は慣性核融合エネルギー（IFE）への第一歩であり、レーザー駆動の慣性核融合を基盤とするエネルギー構想（LIFEなど）が提案されてきた。核融合点火施設および後続の核融合炉（KOYO構想など）を想定した中性子環境の検討も行われており、NIFで得られる実験知見は、将来の慣性核融合エネルギー系の設計基盤として位置づけられている。