Research press release

物理学:核融合炉にとって火急の問題

Nature

Physics: Burning issues in nuclear fusion

プラズマ状態の物質の自己加熱が核融合によって実現したことを報告する論文が、今週、Nature に掲載される。今回の知見は、核融合エネルギーが実現可能なエネルギー源となる可能性に向けた画期的成果だ。同時にNature Physics に掲載される論文には、この成果を可能にした実験計画の最適化が記述されている。

原子核を融合させて、エネルギーを放出させる核融合は、持続可能なエネルギー源となる可能性を秘めている。核融合は、宇宙の星にエネルギーを供給する物理的過程だが、実験室での再現は困難で、放出されるエネルギーよりもはるかに多くのエネルギーが消費される。余剰エネルギーを生み出すと考えられている核融合の実現に向けた重要な一歩が、燃焼プラズマだ。燃焼プラズマでは、核融合が主要な熱源となり、プラズマ状態の燃料の温度が核融合反応の連続的発生を引き起こすのに十分な高さに維持されている。今回のAlex Zylstraたちの論文では、慣性閉じ込め核融合実験で燃焼プラズマが実現されたことが報告されている。この実験では、熱核燃料が充填されたカプセルを圧縮し、加熱することによって核融合反応が開始される。

米国立点火施設で行われた実験では、192本のレーザービームを用いて200マイクログラムの重水素–トリチウム燃料が充填されたカプセルを急速に加熱して爆縮させてプラズマ燃焼を実現し、自己加熱核融合反応を引き起こすために十分な温度と圧力に達した。プラズマ燃焼の実現を試みる研究は、これまでも行われてきたが、レーザービームによってプラズマにエネルギーが蓄積される過程が乱さないようにプラズマの形状を制御するという課題のために、思うような成果が上がらなかった。今回、Zylstraたちは、実験の設計を改良して、プラズマ状態の燃料をこれまでより大量に保持しつつ、これまでより多くのエネルギーを吸収できるカプセルを使用できるようにした。これらの実験によって達成された性能(最大170キロジュールのエネルギー収量)は、以前の実験で得られたエネルギー収量の3倍であった。

Self-heating of matter in a plasma state through nuclear fusion, a milestone towards fusion energy potentially becoming a viable energy source, is reported in Nature this week. An accompanying paper in Nature Physics describes the optimization of the experimental design that allowed such an achievement.

Nuclear fusion, which involves combining atomic nuclei to release energy, has the potential to be a sustainable energy source. It is a physical process that powers stars, but recreating this process in the laboratory has proven challenging, and uses far more energy than it produces. A critical step towards fusion that is a net generator of energy is a burning plasma, in which nuclear fusion is the primary source of heat for sustaining the fuel in a plasma state that is hot enough to allow further fusion reactions. Such a regime is reported by Alex Zylstra and colleagues in inertial-confinement fusion experiments, in which fusion reactions are initiated by compressing and heating capsules filled with thermonuclear fuel.

Experiments at the National Ignition Facility achieved the burning of plasma using 192 laser beams to quickly heat and implode a capsule containing 200-µg of deuterium–tritium fuel, reaching temperatures and pressures high enough to trigger self-heating fusion reactions. Previous attempts have been limited by challenges in controlling the plasma shape to avoid disrupting how the laser beams deposit energy in the plasma, but Zylstra and colleagues’ improved experimental design allowed the use of capsules that can hold more fuel and absorb more energy while containing the plasma. The performance generated by these experiments — up to a maximum yield of 170 kilojoules of energy — triples the yields obtained in previous experiments.

doi: 10.1038/s41586-021-04281-w

「Nature 関連誌注目のハイライト」は、ネイチャー広報部門が報道関係者向けに作成したリリースを翻訳したものです。より正確かつ詳細な情報が必要な場合には、必ず原著論文をご覧ください。

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