S5-7
レーザー核融合ロケットの原理実証に向けて
Feasibility Study of Laser Fusion Rocket山本 直嗣1), 森田 太智1), 齋藤 直哉1), 中島 秀紀1), 藤岡 慎介2)，余語 覚文2)，西村明2) ，森 芳孝3)， 砂原 淳4)，城崎 知至5)
Naoji Yamamoto, Taichi Morita, Naoya Saito, Hideki Nakashima, Shinsuke Fujioka et al.

博

九州大学大学院 総合理工学府先端エネルギー理工学専攻
2)
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
3)
光産業創成大学院大学
4)
レーザー技術総合研究所
5)
広島大学大学院工学研究院

1)

1)

Department of Advanced Energy Engineering Science, Kyushu University,
2)
Institute of Laser Engineering, Osaka University, Japan
3)
Institute for Laser Technology, Japan
4)
The Graduate School for the Creation of New Photonics Industries, Japan5)
Graduate School of Engineering, Hiroshima University, Japan

米国の National Ignition facility(NIF)において、2010 年からエネルギー利得の実証に向けて核融合点火実験が開始され、着実に研究が進められている［1］。また、2030 年代には、レーザー核融合炉により電力を供給する野心的な計画も発表された。このように、レーザー核融合の実現性が一段と確かなものになっている。一方、米企業 Space X 社は、2022 年にも火星への100 万人移住計画を目指して、エンジンなどの開発を本格化させている [2]。
そして、核融合は宇宙推進に非常に適している。なぜなら、核融合反応では、他の化学反応や核分裂反応と比較して、単位質量あたりに発生するエネルギーが非常に大きいため、高温・高速のプラズマが容易に得られる。核融合反応で生成した膨大なエネルギーを持つプラズマを、固体壁ではなく磁場による壁、すなわち磁気圧によって運動方向を変えることにより、大きな推力を得ることが出来る（図 1）。従って、核融合プラズマを利用した宇宙推進システム(ロケット)は、従来の推進機では不可能な、高い排出速度（即ち低燃費）と大推力および長寿命を同時に達成可能であるため、画期的な高速推進システムとして非常に有望である。米国のLivermore 国立研究所のグループも、概念設計
例「VISTA」に関するレポートを公開しており［3］、火星までの往復は、化学推進を用いた場合の 1/5 のわずか 100 日で可能であり、しかも１０日間の火星滞在が許されることを示した。しかしながら、彼らは推進力獲得の実証に最重要課題である、磁気ノズル中のプラズマ挙動については、殆ど議論していない。
そこで、我々は長年にわたり数値解析を用いて磁気ノズル中の非定常なプラズマの振る舞いを解明してきた。また実験による検証をめざしても努力してきた。
数値解析においては、3 次元ハイブリッドコード[4]を用いて磁場形状の最適化を行ってきた。その結果として、2 つのコイルを用いるシステムにおいては、プラズマの運動量から推進力への推進効率は 77％ に達した。また、スラストベクトルが変更可能なように、図 2 に示す
ような、矩形コイルを 12 個配置した体系において計算を行った。その結果として、矩形コイルに均一な電流を流した際の推進効率は 71%と従来のコイル一つのシステムの 65%と比

図 1 磁気ノズル・スラストチャンバーシステ
ムでの推力獲得のメカニズム、 核融合で発生したプラズマは、磁場を圧縮しながら膨張する。圧縮された磁場は、バネの役割をし、プラズマを跳ね返し放出し、その反作用で推力が発生する。磁場は、非定常的に、大きく変化する。

図 2 ベクトル制御の概略図

較して向上した。
コイル間のカスプ状磁場に粒子が閉じ込められており、従来のコイルでは 5%ほど抜ける
コイル軸方向の粒子数は全体の 0.6%と減少していたことが性能向上に寄与したと考えられる。次に、推力方向制御の可能性を検討するた
めに、上側 6 個の矩形コイルには時計方向に 32kA turns 流し、下側の 6 個の矩形コイルには半分の 16 kA turns を流す。これにより計算領域の－X 方向の磁場が弱くなり、プラズマが－X 方向に多く排出され、Steering angle β が発生する事が確認できた。
数値解析だけでなく，磁気スラストチャンバーシステムによる推力が発生することを実証し、設計指針を得るべく，大阪大学レーザーエネルギー学研究センターとの共同研究を実施してきた．実験においては，核融合プラズマを模擬したレーザーアブレーションプラズマと磁場との相互作用を観察してきた。
永久磁石を用いた推力測定の結果、レーザー
エネルギー1 J の力積も 2 Ns と小さいが、力積の測定に成功し、初めて磁気スラストチャンバーシステムを実験的に実証した。
プラズマと磁場の相互作用を観察するため、マッハ・ツェンダー干渉法を用いて、磁場とプラズマの相互作用を観察した。図３にマッハ・ツェンダー干渉法から算出したプラズマ密度分布を示す。図の左方向-13 mm にコイルの端面がある。磁場を印加しない条件下では、プラズマは彼方に飛んで、ほとんど存在していないが、磁場を印加することで、磁気圧とプラズマの圧力が釣り合う、薄い層状の高密度領域が存在しており，この境界層よりも下流において反磁性キャビティの存在が示唆される結果を得ることができた。またこの境界層は磁場強度,レーザーの投入エネルギーおよびターゲッ
ト材質によって変わることを確認している。
また、レーザー生成プラズマから噴出されるプラズマの密度および温度および速度を協同トムソン散乱法により測定した。磁場の印加による密度の上昇ならびに径方向の速度の減少が観察されている。またプラズマの反磁性電流による磁場の変化をマルチループプローブで計測したところ、膨張するプラズマの先端での磁場増幅を計測し、間接的に反磁性キャビティの存在を確認した。これらの成果をもとにスケーリング則を構築し、レーザー核融合ロケットのデモ機の設計・試作に還元できるようにする。

(a)(b)
図 3 磁気スラストチャンバ中のプラズマ密度分布、レーザーエネルギー100 J×6、t＝200 ns
後(a)0 T at target, (b)1.1 T at target
謝辞
本研究を遂行するに当たり、ショットマネージメント、レーザー運転、ターゲット製作及びプラズマ計測など、佐藤英児氏をはじめ、大阪大学レーザーエネルギー学研究センターの皆様の支援に感謝いたします．本研究は日本学術振興会科研費補助金 JP25420852、 JP21360418、JP10J01672 および大阪大学レーザーエネルギー学研究センターの共同利用・共同研究のもとに実施された．
参考文献[1］O. A.Hurricane、 et al,. Fuel gain exceeding unity in an
inertially confined fusion implosion、 Nature、 506、 343–348(20 February 2014)[2］http://www.spacex.com/mars (accessed 1 March 2015)[3]C. D. Orth、 VISTA-A Vehicle for Interplanetary SpaceTransport Applications Powered by Inertial Confinement
Fusion、 UCRL-TR-110500、 2003
[4] A. Maeno、 T. Hinaga、 N. Yamamoto、 A. Sunahara、 S.
Fujioka、 and H. Nakashima、Effect of Magnetic Field
Strength on a Magnetic Thrust Chamber System、 Journal of
Propulsion and Power、 Vol.30、1 (2014)、 pp.54-61.
[5] 川渕他、2006 年宇宙科学技術連合講演会 3F15(2006)[6] N. Sakaguchi et al.、 Trans. Japan Soc. Aero. Space Sci. 48(161)、 180 (2005).