J. Plasma Fusion Res. Vol.90, No.4 (2014)２
２８‐２３３

解説

米国国立点火施設における流体不安定性と乱流混合過程に関する研究
Hydrodynamic Instabilities and Mix Studies on National Ignition Facility
REMINGTON Bruce A.
Lawrence Livermore National Laboratory（原稿受付：２
０
１
３年１
２月２
３日）

米国国立点火施設（National Ignition Facility，NIF）における乱流混合実験（Mix Campaign）の目的として，
１）燃料への乱流混合過程が核融合性能にどのように影響するかを明らかにすること．２）乱流混合過程が核反応効率の急激な低下を引き起こす閾条件を明らかにすること．３）乱流混合過程の影響を軽減し，核融合性能を向上させる手法を開発すること，の３つがあげられる．この一連の実験では，駆動 X 線パルス波形やターゲットデザイ
ンを変化させ，燃料圧縮用の X 線パルスの最大出力，パルスの裾部分の強度，ターゲット設計の効果について調べられた．ホットスポットへアブレータ材料が乱流混合していることが，X 線分光計測によって明らかとなった．
ホットスポットへのアブレータ材料の混合質量が大きくなると，ある閾値を境に中性子の発生数は急激に減少した．この乱流混合は，アブレーションフロントにおけるレイリー・テイラー（RT）不安定性により生じていると考えられる．時間波形の裾部分の強度を高くした X 線パルス（"High Foot"パルス）を用いて高断熱圧縮を行った
場合には，より平滑なアブレーションフロントが実現され，ホットスポットへの混合質量を劇的に軽減することができた．特に最近の二つのショットでは中性子の発生数が１
０１５個以上となり，理想的な１次元シミュレーショ
ンから見積もられる中性子数に対する比率が５０％を上回った．
Keywords:
National Ignition Facility, Inertial Confinement Fusion, Hydrodynamics Instability

１．はじめに太い薪（すなわち 燃料 ）を並べるだろう．ここからが重核融合は恒星のエネルギー源としても知られる核反応過要なステップである．あなたはマッチを擦って スパーク程である．水素原子核が融合することでより重い核を構成を作り，たきつけに火がついてし，その過程でエネルギーを放出する．ローレンス・リ

ようにする．ここで，細い薪が湿っているとか，薪の隙間

ヴァモア国立研究所（Lawrence Livermore National Labo-が狭すぎるとか，逆に隙間だらけといったようにでたらめ

ratory, LLNL）で研究している慣性核融合（Inertial Con-にたきつけを組んでいると，たきつけに火がつかず，周囲

finement Fusion, ICF）は レ ー ザ ー 核 融 合の丸太に火がつくのに十分なとも呼ば

ホットスポット

ホットスポットとなるを作れな

れ，重い水素原子核である重水素（Deuterium, D）とトリい．しかし，我々は経験的に，どのようにたきつけを組め

チウム（Tritium, T）を用いている．十分に高い密度と温度ばよいか，また， 燃料の条件で D と T は核融合反応し，ヘリウム原子核と中性子はどのように薪を配置するのが適切かということを知ってを放出する．この反応一つあたりで，17.6 メガ電子ボルト

いる．そのおかげで，小さなマッチの火をもとに，大きく（MeV）のエネルギーが放出される．

燃える炎を作り出すことができる．たき火の場合，数キロ

D＋T→He＋n＋17.6 MeV

である太い薪に火が移るように

グラムの丸太が化学反応によってエネルギー（すなわち（１）熱）を作り出している．大きな火をつけるには，次の３つ

もちろん，恒星の中でこれらの反応は継続し，より重い原の順に火が伝わっていく必要がある．１）スパークとなる子核（例えば，炭素，酸素，ケイ素，鉄等）を生成する．

マッチ．２）ホットスポットとなるたきつけ．３）燃料とな

我々は ICF 研究において，そのエネルギー放出量の大きさ

る太い薪．これらの３つのステップのそれぞれが正しく，から DT 核融合反応に注力している．

順序どおりに機能しなければならない．例えば，マッチにICF 研究の最終目的は，DT 核融合反応を十分な数だけ火がつかずに適切なスパークが作れないとか，たきつけが爆発的に生じさせ，その反応を引き起こすために費やした

うまく作られていないために適切なホットスポットができ以上のエネルギーを作り出す状態に到達することである．

ない，太い薪がうまく配置されていないために燃料に火がキャンプに行ってキャンプファイアーをするときのこと

うつらないなど，何らかの理由でいずれかのステップがうを例にとってみよう．キャンプファイアーを始めるときに

まくいかない場合には，大きな火を作ることはできない．

は，まず，あなたは細い薪でたきつけを作り，その周りに我々が LLNL にある国立点火施設（National Ignition Fa２２８!2014 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Commentary

Hydrodynamic Instabilities and Mix Studies on National Ignition Facility

B.A. Remington

cility, NIF）で行っている ICF 研究は，化学反応を使うか核ホットスポットに求められる温度は，5 keV 以上である．

反応を使うかという点を除けば，このキャンプファイアー

これは太陽の中心温度より数倍高い．同様に要求される密の例と非常によく似ている．化学反応によって生じるエネ

度は 100 g/cm３を超え，これは太陽の中心密度と同程度でルギーは，一般に電子ボルト（eV）の単位で表現される程ある．点火が実現すると，核融合反応の連鎖によって温度度である．一方で核反応の場合，生じるエネルギーは MeV

は上昇して10 keV以上となり，太陽の中心温度よりはるか領域であるので，１つの反応あたりに生じるエネルギーに高くなる．このように非常に高い温度が ICF に求められは，キャンプファイアーの火を起こす化学反応に比べるとるのは，一般の慣性核融合ではこのような状況を維持でき

１００万倍大きいことになる．我々は数キログラムの丸太にるのがせいぜい 100−200 ps でしかないからである．この代えて，0.17 ミリグラムの DT 燃料を用いて核融合の 火

短い時間内に核融合反応によるエネルギーを取り出さないをつけようとしているが，先ほどのキャンプファイアーにといけないため，核融合反応の連鎖が爆発的であることが火をつける方法と比べて，その概念に大きな違いはない．

必要で，それ故に高い温度が求められる．

NIF では，200 μm の壁厚をもつ直径 2 mm の中空のプラ

NIF は２
００９年からターゲット物理に関する研究を活発にスチックシェル（球殻）をターゲットとして用いている．

続けてきた．そして最近の論文［１］が伝えたように，アルシェルの内面側には，非常に滑らかな氷状の DT 層が厚み

ファ粒子による自己加熱に向けて大きな一歩を踏み出し

70 μm にわたって形成されており，シェル内部の中空部分

た．ICF 研究の進展はそのペースを早めており，慣性閉じには低密度の DT ガスが封入されている．このシェルが込めか磁場閉じ込めかにかかわらずに，国際社会における入ったホーラム（Hohlraum）内壁に，総エネルギーにして核融合に対する関心を再び活性化している．また，磁場閉

1−2 MJ の NIF レーザーが照射される．パルス幅は 15−

じ込め方式の要素を ICF に取り入れたハイブリッド的な方

20 ns，最大パワーは 350−450 TW である．レーザーとホー式も検討されている．これからの数年間は，アルファ粒子

ラムの相互作用で発生した軟 X 線の照射を受けてシェルは加熱の段階に入り，次世代の最適 ICF 設計を探索するとい内側へ向かって爆縮され，その過程で高密度DT燃料とDTう，非常に興味深く実りの多いものになるだろう．

ガスが圧縮される．ここでガスの温度が上がり，たきつけ

２．最近の NIF における核融合研究となる．衝撃波がターゲットの中心へ到達すると，高温のガスの中でスパークとなる DT 核反応が生じる．そのス

NIF における間接照射型 ICF 研究ではホーラムと呼ばれパークを取り囲むガスが十分に高密度・高温であれば，最る容器内に高エネルギーのレーザー光を集光させ，軟 X

初のスパークがさらなる DT 反応を引き起こし，たきつけ

線へ変換する．この軟 X 線がホーラム中心に設置された中が燃え始め，自己加熱が実現する．我々は今まさに，たき

空の球状カプセル表面をアブレーションさせて爆縮を誘起

つけに火が付いて，燃え始めていることを示す最初の兆候

する．このカプセルは図１（a）に示すように多層構造をもを観測しはじめた段階にある．今後のさらなる最適化につ．高い燃料圧縮を断熱的に実現するために，X 線パルス

よって，たきつけが燃え始めれば，それは DT 燃料が自己波形を３‐４段の衝撃波を励起する形にしている（図１（b））

加熱を始めることを意味し，核反応により生じるエネル［２‐４］．理論研究［５‐１２］および２次元または３次元シミュ

ギーの放出量は劇的に増大する．このホットスポットが高レーション［１３‐１９］，ハイパワーレーザーを用いた実験［２０密度 DT 燃料（キャンプファイアーにおける丸太に相当す‐２８］により，ICF の燃料カプセルのアブレーションフロンる）の核燃焼を引き起こせば，一段とエネルギー放出量がトはレイリー・テイラー（RT）不安定性のために不安定で増大する．この段階まで到達できれば，核反応による放出あり，一方ではアブレーション過程が進むと RT 成長率はエネルギーが，爆縮のために投入されたエネルギーを上回低下することが知られている．しかし，NIF で行っている

る．これがいわゆる ICF における 核融合点火 の閾であ

爆縮過程における RT 不安定性の影響については十分に解る．点火が実現されれば，利用可能なエネルギーを核融合

明されていない．RT 不安定性の成長に歯止めがきかないで作り出すために残された最後のステップは，パルス状の場合，アブレータと燃料もしくは燃料とホットスポットのエネルギー生成を一秒間に複数回起こすことである．その境界が大きく乱れるため，最終的にホットスポットへのア

ためには，燃料の投入とレーザーパルスによる爆縮を 5−

ブレータ材の混合を引き起こして，放射損失によって核融10 Hz の繰り返し周期で実現することが必要になる．自己合反応が抑制される．この乱流混合による核反応率低下の加熱（たきつけを十分燃やすこと）は NIF の短期的目標でことを，ここでは「ミックスクリフ（Mix Cliff）」とよぶあり，点火実現は長期的目標である．数 Hz の繰り返し周期（図１（c））．一連の乱流混合実験の目的は，そのようなで核融合反応を起こすことはNIFで行われる研究の範疇をミックスクリフが存在するのか，存在するとすればその場超えた次の大きなステップであり，新しく違うタイプの所はどこか，その勾配はどの程度なのか，乱流混合の影響

レーザー装置が必要になるだろう．長期的展望と目的は，を軽減する方法はあるのか，を明らかにすることである．

核融合炉においてレーザー核融合により生じたエネルギー

効果的な軽減方法がみつかれば，次にやるべきことはアブを電気へと変換することである．したがって，電気を使う

レータと氷層の表面を荒くした燃料球をより強く圧縮し，

ひとは誰でも核融合エネルギーの恩恵を受けることができ

爆縮性能の限界を確認して，新しいミックスクリフを探するだろう．

ことである．ミックスクリフを探し，新しくより洗練され

DT 燃料を点火するために，我々のたきつけた乱流混合の軽減方法をみつけ，そして燃料カプセルを新

である
２２９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.90, No.4 April 2014

図１ （a）NIF で核融合点火実験に用いられる典型的な燃料球の概略図（一部切り抜き）．最外部は半径 1.15 mm．シェルの各層は，外側から CH（138 μm 厚），１％Si ドープ CH（10 μm 厚），２％SiCH ドープ（35 μm 厚），１％Si ドープ CH（6 μm 厚），CH（6 μm 厚），
そしてクライオの DT 氷層（69 μm）である．（b）
爆縮を駆動するために用いられる輻射のパルス波形．黒線は４つの衝撃波を励起す
る， Low Foot”で低断熱（!〜1.5）な場合の波形．３衝撃波を励起する高い裾をもつ，”High Foot”で高い断熱駆動（!〜2.3）の場合については赤い曲線で示す．（c）
乱流混合実験の基本計画の定性的な概念図．ホットスポットに混合するアブレータが増えるにつれ，
不純物のない１次元シミュレーションで見積もられる中性子数に対して実験で得られる中性子数の割合（YOC）は減少すると実験当初は予想していた．その急な勾配から，この減少を ミックスクリフ（mix cliff） と呼んだ．点火達成へ近づくために爆縮を最適化す
るには，アルファ粒子加熱の効果がない限り YOC がおよそ５０％以上であることが必要である．YOC が５０％以上であれば，シミュレー
ションと実験がより強い相関を持つようになり，幅広いパラメータ領域をより十分にかつ効率的に調べられる．

たな性能限界まで圧縮する，というサイクルを繰り返すこ

用いて，与えられた中性子発生数およびホットスポットのとで，アルファ粒子加熱条件を達成し，点火条件により近温度と体積から期待される不純物のない DT ホットスポッ

づくことをめざす．次の章では，一連の取り組みの進捗にトからの X 線輻射量に比べて，実測された輻射量がどれだ

ついて述べる．最近得られた結果は，希望がもてるものでけ多かったかをもとに，ホットスポット中の炭素の質量をある．

推量する．クライオターゲットを用いた爆縮実験で計測された DT 中性子発生数と，このモデルを用いて見積ったア

３．ミックスクリフの探査ブレータ材料の乱流混合質量の関係をまとめたものがDT で構成されるホットスポットにまでアブレータ材料

図２（b）である．同様な傾向は X 線分光計測からも得られが入り込んでいることについての初めての決定的な実験的ている［２９］．図２（b）
から明らかなように，ホットスポッ

証拠は，発光 X 線の分光計測でみつかった．この実験には

トへの混合質量が数百ナノグラムを超えると，中性子発生

三種ドープ DT ターゲットが用いられた［２９］．使用された数が急激に低下しており，ミックスクリフの存在が示唆さターゲットのアブレータ層の最内側（DT 燃料に接する側）

れる．なお，図２に示した結果は図１（b）に示す"Low Foot"

6 μm に原子数比で銅が 0.15％ ドープされており，またそのパルスを用いた低断熱圧縮の場合である（ただし最大強度

外側２層にはゲルマニウム 0.2％ がドープされている．こまでの上昇時間は 1，2，3 ns といったいくつかのタイプがのターゲットを爆縮してホットスポットからの X 線分光計

含まれている）．このように，乱流混合実験のこれまでの測を行ったところ，図２（a）に示すように，ゲルマニウムの結果から

He !線の発光が検出されたが，銅の X 線発光は得られな

り，ホットスポットへのアブレータ材の混合は軽減しなけ

かった［２９］．一方で，ホットスポットを取り囲む低温高密ればならない重大な課題である．次の章では，その軽減法

度のプラズマシェル中のゲルマニウムと銅の K 吸収端は見に関する初期研究について述べる．

ミックスクリフが存在することは明らかであえている．これらの計測結果は，アブレーションフロント

４．ホットスポットへの乱流混合の軽減

での RT 不安定性により，アブレータ材が外側からホットスポット内まで入り込むことを表す一方で，アブレータとアブレータ材がホットスポット中へ乱流混合する主要な燃料の境界で成長する不安定性は，アブレータ材をホット原因の一つが，アブレーションフロントにおける RT 不安

スポット内にそれほど混合させないという解釈で説明でき定性であるということは，いくつかの結果により示唆される．これらの分光計測と並行して，爆縮がうまくいかなている．第一に，図２（a）に示すように，三種ドープカプセ

かった場合には，中性子発生量やイオン温度は低いもののルを用いた分光計測においてホットスポットからゲルマニ

ホットスポットから強い X 線放射があることが わ かっウムの強い発光が観測されたが，銅の発光がみられなかった．アブレータ材，特に炭素がホットスポットに乱流混合たこと．第二に，得られたホットスポットに乱流混合した

し，放射損失によりホットスポットの温度を下げ，核燃焼

炭素の質量を，実験により推定したシェルの幅に対してプ反応を阻害しているというのが，この結果に対するもっとロットすると，シェル幅の減少に伴い混合質量が増加するも妥当な説明である．ここで，乱流混合を考察するための傾向（図３（a））がみられること［３１］．第三に，シミュレー

単純なモデル（Mix モデル）を作った［３０］．このモデルをションで求められたアブレーションフロントの成長係数が２３０

Commentary

Hydrodynamic Instabilities and Mix Studies on National Ignition Facility

B.A. Remington

図３ （a）
実験的に推量されるホットスポットへの乱流混合質量と X 線バックライト計測により推量されるシェルの幅の関
係［３
１］
．（b）
実験的に推量される混合質量と２次元シミュ
レーションにより得られたアブレーションフロントの成長係数の関係［３１］．それぞれの図中の曲線は，傾向を示すために描かれている［３１］．

図２ （a）
３種ドープ DT ターゲットを用いた実験（NIF ショット
N120219）で計測されたホットスポットの X 線発光スペク
トル（黒線）．ホットスポットで発生する連続 X 線（光子エネルギーh"）のスペクトルをexp（−h"/kT），シェルの光学−3 と仮定した場合に，圧縮されたシェルを透的厚さを（h"）
過して得られる連続 X 線スペクトルを計算した（赤線）
［２
９］
．（b）
NIF で行ったクライオ DT ターゲットを用いた爆縮実験（２１ショット）について，計測された DT 中性子発生
数と Mix モデルにより推量される乱流混合質量の関係．
データ点はレーザーの最大出力に応じて色づけされている［３
０］．ホットスポットへの混合質量が数百ナノグラムを超えると中性子発生数が急激に減少しており，ミックスクリ
フの存在を示唆している．

（"Low Foot"では !〜1.5 であるのに対し，"High Foot"ではFoot"の２種類のX線パルスを用いた場合について，２次元シミュレーションで計算された最大爆縮時の密度プロファ
イルを図４（a）に示す［４］．"High Foot"のシミュレーションの場合は燃料球の収縮度が若干低く，そのために Convergence Ratio （CR）は"Low Foot"の 場 合 の３
５‐４０に 比 べ て"High Foot"の場合は２
５‐３０程度である．"High Foot"の場合，
爆縮過程の非常に初期の時点から高断熱圧縮が実現される!〜2.3 程度である）．正味の効果として，高いアブレー

増大するにつれ，実験で得られた混合質量も増大する傾向

ション速度と大きな電子密度スケール長が実現でき，いず（図３（b））にあること［３１］．そして最後に，ここでは詳細

れも RT 不安定性の成長率抑制につな が る．それ故に，は示さないが，図１（a）に示したシェルに比べて多くのシ"High Foot"の場合にはホットスポットへのアブレータ材のリコンをドープしたターゲットを用いた場合には，混合質

総混合量を減少させる
［６，
７，
９，
１０，
１２］．実際，"High Foot"

量が増大するという結果が得らたこと．これら４つの計測のシミュレーションでは，RT 不安定性の成長やホットス

結果は，アブレータがホットスポットに乱流混合する主な

ポットへのスパイク形状の侵入が爆縮過程の後半において原因が，アブレーションフロントにおける RT 不安定性にも軽減されている．実験において見積もられた乱流混合質あるということと矛盾しない．したがって，乱流混合を軽量も"High Foot"では小さかった．１次元流体シミュレー

減するために第一にとるべき方策として，アブレーション

ションから見積もられる中性子数と実験で観測された中性

フロントの RT 不安定性を抑制するための早期の改善を施

子発生数の比率を意味す る YOC（Yield-Over-Clean）をすことにした．我々は図１（a）に示したものと同 じ ター

図４（b）に示す［３２］．この結果，明らかに"High Foot"の場

ゲットを用いる一方で，"High Foot"パルス（図１（b）赤線

合に高い YOC を達成している．さらに，２つのショットの参照）を用いて高断熱圧縮を行った．"Low Foot"と"High

YOCが，乱流混合実験における中心的な目標の１つである
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Journal of Plasma and Fusion Research Vol.90, No.4 April 2014

５．まとめと今後の展望

YOC＝５０％を上回っている．YOC が５０％以上に到達するということは，実験結果とシミュレーション結果との高い

これまで述べてきたように，多岐にわたる乱流混合実験

相関により，新しく高性能な設計をより迅速に最適化できにおいて数々の計測技術を利用することで，ミックスクリ

ることを意味している．さらに，図４（b）中のショット N

フの存在を確認した．特に，三種ドープカプセルを用いた

１３０８１２において，アルファ粒子による自己加熱により中性X 線分光計測と，中性子発生量と X 線発生量の比較に基づ子発生量が５０％増大したことが，解析およびシミュレー

く Mix モデルにより，低断熱圧縮の場合について，ミックションにより示された．この結果は，"High Foot"爆縮におスクリフの存在が明らかにされた．これまでは，乱流混合

いてアルファ粒子加熱が重要になりつつあることを意味し軽減のために解決すべき課題は，高断熱圧縮によるアブている［４，
３２］．乱流混合が軽減された"High Foot"爆縮実験

レーションフロントでの RT不安定性成長率の抑制にあった．

の次のゴールは，アルファ粒子加熱によって中性子発生量"High Foot"の X 線パルスを用いることにより，YOC＞５０％

が２倍以上になるような，自己加熱が支配的な核融合燃焼となる爆縮が可能となり，アルファ粒子加熱の効果を示唆である．

する結果を初めて得た．しかし，高断熱圧縮によるこの高い YOC は，爆縮される燃料の面密度の低下と引き換えに実現されている．今後は，より顕著なアルファ粒子加熱を引き起こし，点火領域まで到達し始めるよう，"High Foot"
パルスによる爆縮設計の上限について調べ，代替アブレータ［３３，３４］といった，更なる乱流混合軽減のための手法についても研究を行う．

謝辞

本研究は，アメリカエネルギー省の支援を受け，LLNLによって遂行された（DE-AC５
２‐０７NA２７３４４）．また，本解説の主たる成果は L.J. Atherton，L.R. Benedetti，L. BerzakHopkins ， D.K. Bradley ， D.A. Callahan ， D. Casey ，P.M. Celliers，C.J. Cerjan，D.S. Clark，E.L. Dewald，
T. Dittrich ， S.N. Dixit ， T. Doeppner ， D.H. Edgell ，M.J. Edwards，S. Glenn，S.W. Haan，B.A. Hammel，
A. Hamza，D. Hicks，W.W. Hsing，O. Hurricane，N. Izumi，
O.S. Jones，M.H. Key，S.F. Khan，O.L. Landen，S.L. Pape，
J.D. Lindl ， T. Ma ， B.J. MacGowan ， A.J. Mackinnon ，A.G. MacPhee，N.B. Meezan，J.D. Moody，E.I. Moses，
A. Pak，T. Parham，H.-S. Park，P.K. Patel，J. Pino，J.E. Ralph，K. Raman，H.F. Robey，J.S. Ross，B.K. Spears，
V. Smalyuk ， P.T. Springer ， L.J. Suter ， R. Tipton，
R. Tommasini，R.P. Town，S.V. Weber（以上 Lawrence
Livermore National Laboratory），R. Epstein，S.P. Regan（以上 Laboratory for Laser Energetics），J. Frenje，
M. Gatu-Johnson，R. Petrasso（以上 Massachusetts Instituteof Technology），S.H. Glenzer（SLAC National Accelerator
Laboratory），G. Grim，J.L. Kline，G.A. Kyrala（以上 Los
Alamos National Laboratory），J.D. Kilkenny，A. Nikroo
図４ （a）
２次元多モード（モード数１００）のシミュレーションが示す，表面粗さを持つシェルの爆縮において予測される不安定性成長の様子（密度プロファイル）．下半分は“LowFoot”で低断熱圧 縮（! = 1.5）を 行 っ た 場 合，上 半 分 は“High Foot”で高断熱圧縮（!= 2.3）を行った場合．爆縮プ
ラズマ半径が最も小さくなる時刻の結果を示した．“HighFoot”のシミュレーションは燃料球の収縮度が低く，RT 不安定性に由来するスパイクがホットスポットに入り込む割合が小さい［４］．（b）クライオ DT ターゲットを用いた爆縮実験の１８ショットについて，そのショット番号と YOC．青いデータ点は“Low Foot”の低断熱圧縮，緑のデータ点は“High Foot”の 高 断 熱 圧 縮 の 一 連 の 結 果 で あ る．“LowFoot”の 場 合 の YOC が５〜１
５％程 度 で あ る の に 対 し，“High Foot”の場合は YOC が２０〜７０％程度であった．

（以上 General Atomics）らとの共同研究で得られたものである．なお，本記事（２‐５章）と同様の内容はInertial Fusion
Science and Applications（IFSA）２０１３の Proceedings として発表される予定である．
【翻訳：籔内俊毅（阪大）】

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