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連続ターゲットインジェクションによる高繰り返しレーザー核融合実験および運用

Repetitive Laser Fusion Experiment and Operation
using a Target Injection system
西村靖彦 ,1 , 米田 修 2 , 佐藤仲弘 3 , 高木 勝 3 , 森 芳孝, 石井勝弘, 花山良平, 北川米喜, 関根尊史 3 ,栗田隆史 3 , 竹内康樹 3 , 加藤義則 3 , 栗田典夫 3 , 川嶋利幸 3 , 日置辰視 4 , 元廣友美 4,5 , 西 哲平 5 ,砂原 淳 6 , 千徳靖彦 7 , 三浦永祐 8 , 岩本晃史 9 , 坂上仁志 9
NISHIMURA Yasuhiko ,1 , KOMEDA Osamu 2 , SATO Nakahiro 3 , TAKAGI Masaru 3 , MORI
Yoshitaka, ISHII Katsuhiro, HANAYAMA Ryohei, KITAGAWA Yoneyoshi , SEKINE Takashi3 ,KURITA Takashi3 , TAKEUCHI Yasuki3 , KURITA Norio3 , KAWASHIMA Toshiyuki3 ,HIOKI Tatsumi4 , MOTOHIRO Tomoyoshi4,5 , NISHI Teppei5 , SUNAHARA Atsushi6 ,SENTOKU Yasuhiko7 , MIURA Eisuke8 , IWAMOTO Akifumi9 , and SAKAGAMI Hitoshi9
光産業創成大, トヨタテクニカルディベロップメント 1 , トヨタ自動車 先端材料技術部 2 ,浜松ホトニクス 3 , 名大 未来社会創造機構 4 , 豊田中研 5 , レーザー総研 6 , 阪大レーザー研 7 ,
産総研 8 , 核融合研 9GPI, Toyota Technical Development Corp.1 , Advanced Material eng. div., Toyota Motor Corp.,2 ,Hamamatsu Photonics K.K.3 , Green Mobility Collaborative Research Center, Nagoya University4 ,Toyota Central Research and Development Laboratories Inc.,5 , Institute for Laser Technology6 ,ILE7 , AIST8 , NIFS9

はじめに

その後，直径 1 mm の重水素化ポリスチレン（C8 D8 ）の中実球ターゲット（以下，ターゲット）を炉心プラズマ物理の理解と科学的ブレークイーブン
1 Hz で自由落下させるターゲットインジェクションを目指して，米国 NIF（National Ignition Facility）システムを開発した．2013 年に，開発してきた 1 Hzや大阪大学レーザーエネルギー学研究センターなどの繰返しレーザーおよび連続ターゲットインジェクで研究が行われてきた [1–5]．それらの研究施設では， ションシステムを統合した．統合システム実験装置をパルスエネルギーがキロジュールないしメガジュー用い，将来のレーザー核融合炉に必須技術である投入
ルの大出力レーザー光を用い，静止させたターゲッするターゲットにレーザーを命中させることで核融合
トに対して，いわゆる シングルショット による高反応を起こすことに世界に先駆けて成功した [10–13]．
密度爆縮，高効率の中性子発生などが行われてきた．
講演では，研究グループにおいてこれまで実施しそこで用いるレーザーシステムは，フラッシュランプてきた繰返し動作でのターゲット投入と制御技術おでレーザー媒質であるレーザーガラスを励起する方
よび可視光や X 線，荷電粒子，中性子の繰返しデー
式のため，レーザーガラスの熱の問題により，ショッタの蓄積と解析，研究グループの最近のインジェクト率が１日あたり数ショットに制限されている．
ション装置開発などについて述べる．

1

一方，光産業創成大学院大学の研究グループでは2008 年より，繰返しレーザーを用いた高速点火方式によるレーザー核融合開発共同研究プロジェクトを，複数の共同研究機関と共に実施してきた．このプロジェクトでは，まず，将来のレーザー核融合炉ドライバーとして最有力候補である半導体励起固体レーザー（DPPSL : Diode Pumped Solid State Laser）である KURE-1 レーザー [6] を励起用光源とした，1 Hzの繰返しレーザー（HAMA レーザードライバー）を開発した [7–9]．

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開発したターゲットインジェクション装置

図 1 に開発したターゲットインジェクション装置の模式図と照射されたターゲットのスナップショットを示す．図 1(a) に示す同装置は，ターゲットを充填するターゲットローダー，一定回転してターゲットを射出位置へ運ぶための回転ディスクとディスクを動かすためのモーター，自由落下するターゲットの通過検知をする 2 対の光電センサー，そしてモーターと照射レーザーのタイミングを調整する制御装置から構成されている．なお同装置は，真空容器内（直径 700 mm，深さ 600 mm）に設置されている．

Target
1 mm

(b)

(a)

図 1: (a) ターゲットインジェクションシステム. (b)
射出されたターゲットにレーザーが照射された瞬間のスナップショット.
研究グループでは，同装置を用いて繰返しレーザー核融合実験を複数年に渡って継続している．実験中はレーザー照射時のターゲット位置を計測するシステ
ムを用い，ターゲットに照射される様子を計測している．図 1(b) に示すように，真空中に射出されたターゲットがレーザー照射位置に到達するとレーザーが照射される.

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繰返し実験から得られる計測結果

繰返しレーザー核融合実験から取得される計測結果の一例として，図 2 に中性子の繰返し計測について示す．

図 2: 連続レーザー核融合実験で取得した中性子計測
結果．

同図の緑線は計測したシンチレータシグナルの平均，青線は統計処理した γ 線シグナル，そして赤線は
繰返し核融合反応により生成された正味の中性子シグナルを示している．赤線の波形に示すように，連続レーザー核融合反応中の中性子発生を定量化が可能になった．
繰返し実験における計測結果は発生する中性子だ
けでなく，レーザー照射位置でのターゲット位置計測と突合せをすることにより，射出（飛翔）するター
ゲットに対するレーザー照射との相関を得ることも出来る．例えば，強い中性子や γ 線が発生する条件を見出すこともできる．このように繰返しレーザー核融合実験と計測評価を行うことにより，将来のレーザー核融合発電実現に向けた計測技術や要素技術開発が推進される．

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まとめ開発してきた 1 Hz の繰返しレーザーおよび連続ターゲットインジェクションシステムを統合した研究成果の一例を報告した．統合装置を用いた研究を推進することで，レーザー核融合による発電実証・実現が近づくものになるであろう．

[1] M. J. Edwards, et al., Phys. Plasmas, 20,070501 (2013).
[2] O. A. Hurricane, et al., Nature, 506, 7488
(2014).
[3] R. Kodama, et al., Nature, 412, 798 (2001).
[4] Y. Kitagawa, et al., Phys. Rev. E, 71, 016403(2005).
[5] H. Shiraga, et al., Plasma Physics and Controlled Fusion, 53, No.12 124029 (2011).
[6] T. Sekine, et al., Opt. Express, 18, 1392713934 (2010).
[7] Y. Kitagawa, et al., Phys. Rev. Lett. 108,155001 (2012).
[8] Y. Mori, et al., Nuclear Fusion, 53, No. 7,073011 (2013).
[9] Y. Mori, et al., The Review of Laser Eng., 42,No.2,154–159 (2014) .
[10] O. Komeda, et al., Scientific Reports 3, 02561(2013).
[11] O. Komeda, et al., Plasma Fusion Res., 8,1205020 (2013).
[12] 西村靖彦, 米田修, 佐藤仲弘, 高木勝. J. Plasma
Fusion Res., 91, No. 8, 544–547 (2015).
[13] R. Hanayama, et al., J. Phys.: Conference Series, 688, No. 1, 012026 (2016).