OMEGA

OMEGAは、米国ロチェスター大学レーザーエネルギー学研究所(LLE)が運用する大出力レーザー核融合実験装置であり、慣性核融合、とりわけ直接駆動方式による点火研究の世界有数の実験基盤である。60本のレーザービームを波長351 nm(三倍高調波)の紫外光に変換して球状ターゲットに集中照射するもので、ターゲットへの入射エネルギーは30 kJを超える。単一の装置としてではなく、短パルス大出力レーザー装置OMEGA EPと組み合わせた「OMEGAレーザー施設」全体で、圧縮点火、衝撃点火、高速点火、磁化ターゲットなど幅広い高エネルギー密度物理実験を支えている。

OMEGAレーザー施設とその構成

OMEGAの本体は、ネオジムガラスレーザーを増幅した60本のビームを、球面をほぼ一様に覆う配置で球状カプセルに集束させる装置である。直接駆動では、レーザー照射の不均一性がそのまま圧縮の乱れとして増幅されるため、照射均一性の制御が装置設計の中心課題となる。このため、ビームの空間強度分布を平滑化する分散位相板、周波数掃引による時間的・空間的平滑化を行う二次元スペクトル分散平滑化(SSD)、ビーム間の偏光不均一を抑える分散偏光子といった光学系が導入され、整形パルス(ダイナミックレンジ400対1超)を用いて約1%レベルの照射均一性を目標としてきた。この一様照射技術は、OMEGAで培われたものが直接駆動研究全体の標準となっている。

後年に建設されたOMEGA EPは、OMEGA本体と実験室を共有する増設装置で、数キロジュール級の短パルスビーム(1本あたり最大2.6 kJ)を供給できる。これにより、OMEGA本体で燃料を圧縮し、OMEGA EPの短パルスビームで点火用の高速加熱を行うという、高速点火の統合実験が同一施設内で可能になった。また、OMEGA EPのビームは単独でもプラズマ中のレーザー伝搬や散乱過程の研究に用いられている。

直接駆動低温インプロージョンと流体力学的等価性

直接駆動方式では、レーザー光を燃料カプセル表面に直接当てて表面物質を吹き飛ばし、その反作用でDT燃料を中心に圧縮する。間接駆動と比べてレーザーエネルギーの熱点への結合効率が高く、同じレーザーエネルギーに対して必要な熱点圧力や収縮比の要求が緩いことが、この方式を採る主な利点である。

OMEGAの低温ターゲットは、三重点近く(約19 K)に保ったDT氷層をプラスチックシェル内面に凍結させたものである。直径数ミリ程度のこのカプセルは、米国国立点火施設(NIF)で計画された直接駆動点火ターゲットを縮小したものとみなすことができ、レイリー・テイラー不安定の成長や収縮挙動がスケール則に従って対応する、いわゆる「流体力学的等価性」を持つ。この等価性により、OMEGAでの実験結果はNIFのメガジュール級点火設計の検証に直接結びつく。実際、OMEGAのDT低温インプロージョンは慣性核融合インプロージョンとして当時最高のDT面密度(約300 mg/cm²)を記録し、また推定停滞圧力56ギガバールに達して、点火に必要な100ギガバール超の停滞圧力に向けた熱点条件の実証を進めてきた。

一方、実績と設計の間のギャップの原因も明らかにされてきた。詳細な二次元・三次元シミュレーションと実験の統計的解析により、性能を制限する主因はビーム間パワーバランスの不均一、ターゲットの設置ずれ、ターゲット品質といった比較的「地味な」要素であることが示されている。さらに、レーザーエネルギーの結合を下げる主機構としてビーム間エネルギー移動(CBET)が同定され、これを低減する方策の開発が点火実証への鍵とされている。

発展的な点火概念：衝撃点火と高速点火

OMEGAは中心熱点方式(圧縮された燃料の中心に形成される高温高密度の核に点火する古典的方式)に加え、点火の代替概念の実証場としても重要である。衝撃点火は、圧縮の終盤に強いレーザーパルスを追加照射して収束する衝撃波で熱点を加熱し点火させる方式で、圧縮と加熱の時間分離により必要なレーザーエネルギーを下げられる可能性がある。高速点火は、圧縮後のコアに短パルスレーザーから発生した高エネルギー電子やイオンを注入して局所加熱する方式である。

OMEGA/OMEGA EPを用いた統合高速点火実験では、圧縮パルスと同期した高強度短パルスの照射により中性子収率の顕著な増加が観測され、概念の実証がなされた。シミュレーション上は、点火ビームの有無で中性子収率が一桁以上変わること、また点火ビームがあると内側氷層の不均一性に対する収率の低下が小さくなることが予測されており、高速点火が圧縮の完璧さへの要求を緩める可能性を示している。同期精度は数十ピコ秒の範囲が要求される。

レーザープラズマ相互作用とエネルギー結合

直接駆動では、レーザー光は密度の低いコロナプラズマ中を伝搬してから吸収されるため、レーザーとプラズマの非線形相互作用(LPI)が避けられない問題となる。OMEGAの研究で特に重要とされてきたのは次の二つである。

第一にCBETである。異なるビームの光がコロナ中で交差すると、プラズマ波を介してエネルギーが一方のビームから他方へ移る。球状ターゲットでは外周部のビームから中心部のビームへエネルギーが移る傾向があり、その結果ターゲットへの全結合エネルギーが低下する。OMEGAの低温インプロージョン解析では、これがレーザー結合を下げる最大の要因と同定されており、波長をわずかにずらして共鳴条件を制御するなどの対策が検討されている。

第二に、二プラズモン減衰(TPD)や誘導ラマン散乱といった不安定過程である。これらはレーザーエネルギーの一部を高エネルギー電子に変換し、その電子がまだ圧縮されていない燃料を先に加熱する「予熱」を引き起こして圧縮性能を損なう。OMEGAでは、シリコンをドープしたプラスチックシェルでTPD由来の高エネルギー電子による予熱を緩和する手法が実証されるなど、LPIの抑制とターゲット設計による緩和が進められてきた。また、ほぼ球状のコロナプラズマ中での誘導ラマン側方散乱の同定など、散乱光の分光測定によるLPI過程の詳細な理解も進んでいる。

診断、実験プラットフォームと国立直接駆動計画における役割

OMEGAは、インプロージョン物理を精密に測定する診断技術の開発拠点でもある。中性子スペクトルの高分解能測定によりイオン温度や燃料の面密度を求める手法、X線連続放射から電子温度分布を推定するコンパクトな分光器、X線イメージング分光器による低次の非対称性と残留運動エネルギーの測定、ドープしたアブレータからのトレーサー分光、そして帯電粒子の飛行時間からプラズマ中の多イオン効果やイオン・電子間の緩和率を研究する粒子X線時間診断など、多様な診断が開発・運用されている。さらに、分離反応物ターゲット(燃料と反応物を空間的に分離したターゲット)を用いた実験や、温稠密物質中の荷電粒子阻止能の測定、外部磁場を用いた磁化高エネルギー密度プラズマ実験、レーザー駆動の磁化ライナー核融合など、点火そのもの以外の高エネルギー密度物理プラットフォームとしての利用も広がっている。

このような装置・診断・物理理解の蓄積を背景に、OMEGAは米国の国立直接駆動計画の中核を担う。同計画は、OMEGAの低温インプロージョンでNIFのメガジュール級エネルギーに対応する熱点条件を実証すること、およびNIF上の直接駆動実験でレーザープラズマ相互作用と結合の理解を深めることを柱とし、複数の国内・国際機関が参加する。OMEGAで示された流体力学的等価性の実証とCBET低減が、NIFでの直接駆動点火実証への道筋を規定する、というのがこの計画の基本的な論理である。