J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.5 (2011)２
９５‐３０１

解説

米国立点火施設−National Ignition Facility−におけるレーザー核融合および高エネルギー密度科学研究の展望
MOSES Edward I., KEANE Christopher J., AL-AYAT Rokaya,
REMINGTON Bruce A. and COLLINS Gilbert W.
Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA 94550 USA（原稿受付：２
０
１
１年３月２
４日）

米国カリフォルニア州にあるローレンスリバモア国立研究所の国立点火施設（National Ignition Facility:
NIF）が稼働を始めた．NIF は史上最大のエネルギーを有するレーザー装置である．１９２本の NIF ビームのエネル
ギーを数ミリのターゲットに集中させることで，従来の実験室では到底作り出すことができなかった極限環境，
具体的には惑星や星の内部に匹敵する１億度以上の温度，1000 g/cm3 以上の密度，一千億気圧の圧力の状態を作り出すことができる．本解説記事では NIF が可能にした新しい科学研究について概説する．慣性閉じ込め核融合方式による核融合点火実証キャンペーン（National Ignition Campain: NIC）の成果を最初に紹介する．続いて，極限的な高圧・高温状態下における物質の研究，天文現象や一般科学における未解決問題の解明など，NIF によって切り拓かれる高エネルギー密度科学分野の展望について解説する．
Keywords:
ignition, national ignition facility, inertial confinement fusion, national ignition campain, high energy density science,laboratory astrophysics, fundamental plasma science, material science

１．国立点火施設 ／ THE NATIONAL IGNITION
FACILITY（NIF）

Institute: PMI）の名誉ある Project of Year に選ばれた［８］．
PMI は賞の選定理由として，NIF における画期的技術革新

国立点火施設（National Ignition Faclity: NIF）は米国エ

と模範的なプロジェクト管理実績に言及している．

ネルギー省（Department of Energy: DOE）が管轄する，慣図１は NIF の主要な装置を図解している．１
９２本のレー性閉じ込め核融合（Inertial Confinement Fusion: ICF）およ

ザービーム（波長 1.053-μm）が設置された二つのレーザー

び高エネルギー密度（High Energy Density: HED）科学の室（Laser Bay）；レーザービームをターゲットチャンバー

拠点研究施設である［１］．同等の性能の装置として，フランに導く切替室（Switchyard）；レーザー光の波長を紫外線

ス原子力庁（Commissariat à l'Énergie Atomique: CEA）
が

（波長 0.351-μm）に変換した後，直径 10 m の真空チャン

ボルドー市近くに建設している，レーザーメガジュール

バーの中心に置かれたターゲットに集光するターゲット室（Le Laser Mégajoule: LMJ）
［２］）がある．

（Target Area）；計測器の操作およびデータ通信を管理す

NIF 計画は１
９９０年代初頭に立案され，正式に開始したのる計測建屋（Diagnostic Building）；レーザー室，レーザーは１９９５年である．米国ローレンスリバモア研究所の NOVA

切り替え室，最終光学系の光学素子を交換するための機器

レーザー［３］，米国ロチェスター大学の OMEGA レーザー

（Line-Replaceable Units: LRU）に組み込むための光学組立［４］，仏国エコールポリテクニークのLULIレーザー［５］，ラ室（Optics Assembly Building: OAB）がある．NIF の建屋

ザフォードアップルトン研究所の Vulcan レーザー［６］，そは 350,000 m3 であり，広さは 150 m×90 m で高さは１０階建

して大阪大学の GEKKO/LFEX レーザー［７］など，大エネて相当である．微小なターゲットにレーザーを正確に当て

ルギー高出力レーザーの長年の知見・技術の蓄積に基づきるには，建屋が安定で振動に強くなければならず，コンク

NIF および LMJ は建設された．

リート床の厚さはターゲット室で 2 m，レーザー室で 1 m

NIF の建設は１
９９７年５月２７日に開始され，３５億 US ドルである．レーザービームの集光位置と集光品質に対する要（１００円／US ドル換算で３５００億円）の費用をかけ２００９年３

求を満足させるために，レーザー室の温度揺らぎは摂氏±

月に無事完成した．DOEが完成させた科学プロジェクトの0.3 度になるように制御されている．NIF は 33,500 以上の大中で最 も 多 い２３００社 以 上 の 企 業 が NIF の 建 設 に 参加し型・小型の光学素子で構成され，200 万行以上のプログラ

た．NIF における優れたプロジェクト運営は高く評価さムで書かれたソフトウェアで 60000 箇所以上が制御されてれ，プロジェクトマネジメント協会（Project Management

いる史上最も大きな光装置でもある．

Inertial Confinement Fusion and High Energy Density Science Experiments at the National Ignition Facility
MOSES Edward I., KEANE Christopher J., AL-AYAT Rokaya, REMINGTON Bruce A. and COLLINS Gilbert W.
corresponding author’s e-mail: keane1＠llnl.gov

２９５!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.5 May 2011

図１

NIF の鳥瞰写真．二つのレーザー室（Laser bay）
，切り替え室（swichyard），ターゲットチャンバー（target chamber area），計測室（diagnostics building）
等で構成されている．

フラッシュランプ励起の固体ネオジウムガラスの増幅器功している［１０］．

が NIF で用いられている［９，１０］．単一ビームの大きさは直径10 mのNIFターゲットチャンバーには，全レーザー

40 cm×40 cm であり，隣合う４ビームの組み合わせを ク

ビーム用の入射窓，計測器およびターゲットを取り付けるアッド（quad） と呼び，上下二つのクアッドの組を バンための１００個の窓が設けられている．X 線および中性子のドル（bundle） と呼ぶ，６つのバンドルをまとめて クラスペクトル分析器，X 線結像素子およびストリークカメラ

スター（cluster） と呼び，最終的に NIF は４つのクラス

はターゲットチャンバーの赤道および極に取り付けられてターで構成されている．レーザーは一つの発振器，４本のいる［１２］．NIF に関するさらに詳細な情報は，文献［１，８‐レーザービームを同時に増幅する４８台の前置増幅器および

１０］とその引用文献中で見つけることができる．

主増幅器列で構成されている．発振器から最終出力までの光増幅利得はおよそ１０１５である．NIF は約 5 MJ の赤外レー

２．国家点火キャンペーン／THE NATIONAL IGNITION CAMPAIGN

ザー光を２０ナノ秒のパルスで伝搬することができる．NIF

NIF の最初のゴールは，実験室で慣性閉じ込め方式によレーザーの能力については参考文献［１０］に詳しく書かれている．

る核融合点火を実証することである．このことは慣性核融切替室を経由してターゲットチャンバーに導かれた赤外合エネルギーの科学的妥当性を証明することと同時に，高波長のレーザー光は，ターゲットチャンバーの外側に置か

エネルギー密度科学の新しい領域を切り拓くことに繋がれた KDP 結晶対で 0.351-μm の紫外波長に変換される．
（二る．点火ターゲットの物理に関する詳細な議論は参考文献

倍高調波への変換には KDP: Potassium Dihydrogen Phos-［１１］に記述されている．

phate が用いられ，三倍高調波への変換には重水素化 KDPが使われている）［１０］．

NIF における核融合点火実証は国家点火キャンペーン-

レーザー光を短波長化すること

National Ignition Campaign: NIC-として遂行されている．

によって，ターゲットとレーザーの結合効率が高められる

このキャンペーンにはジェネラルアトミックス社（GA），［１１］．最初の点火実証実験に向けて，NIF の１
９２ビームの合ローレンスリバモア研究所（LLNL），ロ ス ア ラ モ ス

計エネルギーを 1.3 MJ にまで上げた 運 転 が 行 わ れ てい

（LANL）
およびサンディア国立研究所（SNL），ロチェス

る．来年中に，NIF の紫外レーザーのエネルギーは設計上

ター大学のレーザーエネルギー研究所（LLE）が参加し，限値である 1.8 MJ に達し，核融合点火および基礎科学研究ローレンス･バークレー国立研究所（LBNL），マサチュー

で必要とされる高い温度，高い密度を実現する予定であ

セッツ工科大学，英国原子力兵器機構
（AWE）
および仏国

る．なお，単一バンドル単位での，1.8 MJ 相当の出力に成原 子 力 庁（CEA）
から多くの共同研究者を迎えている
２９６

Commentary

Inertial Confinement Fusion and High Energy Density Science Experiments at the National Ignition Facility

E.I. Moses et al.

［１３］．NIC は二つの主目的を有している．一つは低温固化

ムの中に設置されている（図２および図３）．プラスチッ

した核融合燃料球殻を用いて核融合点火統合実験を遂行す

ク球殻に差し込まれた直径 10 μm のガラスチューブを通じること．もう一つは２０１２年度までに再現良く点火が起こるて，0.3 mg/cm3 の重水素（deuterium: D）と三重水素（trit-

信頼性の高い実験環境を構築することである．NIC が扱う

ium: T）の混合燃料ガスが封入される．球殻は 18.3 K にま

課題には，点火に関わる物理研究のみならず，計測技術，で冷却され，固体の DT 燃料層が球殻内面に形成される．

ターゲット，ターゲットの冷却技術，位相板や他の光学素NIC実験では，パルス幅が約20 nsのレーザーでホーラム

子，点火実験時における作業者および環境防御システムのを照射する．1.3 MJ のレーザーパルスで，最大放射温度が開発が含まれている．国際的な共同利用施設として NIF

約300 eVの整形されたX線パルスを作りだすのが現在の目を運転するために必要な基盤や手順を構築することも NIC

標設計である［１４］．この X 線パルスによって DT 燃料が充の活動に含まれている．

填された球殻は初期の 1/40 の半径にまで圧縮され核融合

NIF は 間 接 照 射 の 配 置 で 建 設 さ れ，運 転 さ れ て い る

点火に至る．この設計で 17.5 MJ の核融合出力が得られる（図２左）．この配置では，紫外レーザービームをホーラム

ことが１次元流体シミュレーションで予測されている．

（houhlraum）と呼ばれる円筒状のターゲットの内側に照

図３に NIF の点火ターゲットの設計図を示す．

射する．ホーラムの長さおよび内径はそれぞれ約 10 mm

NIF における点火実証キャンペーンは４段階に分かれと 5.4 mm である．強い X 線を発生させるために，ホーラム

る．第一の駆動パルス調整段階では，燃料球殻を含まないの内側には高原子番号物質（典型的には金）が蒸着されて空のホーラムを使い，点火に必要な X 線パルス強度・波形

いる．半径が約 1.1 mm の薄いプラスチック球殻が，ホーラを作るための調整を行う．第二段階は燃料調整段階であ

図２ （左）NIF のレーザービームと核融合点火ターゲットの模式図．（右）
実際に NIF 実験で使用されるホーラムの写真．

図３

点火ターゲットの模式図．

２９７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.5 May 2011

る．常温および低温の各種球殻ターゲットを用い，X 線パの較正ショットを実施した．このショットでは，重水素とルスの強度一様性，衝撃波の伝達時刻，速度，および質量

三 重 水 素 の 混 合 ガ ス を 封 入 し た 極 薄 球 殻（exploding

噴出率が点火の要件を満たすように調整する．第三段階でpusher）ターゲットを極照射モード［１７］で 121 kJ の三倍高は，三重水素（T），水素（hydrogen: H）および重水素（D）

調波で照射した．中性子発生数は〜3×1014 であり，レーをそれぞれ72％/22％/6％の割合で混合したTHD燃料を低ザー装置で達成された最高記録を達成した．２
０１０年１１月２

温固化した球殻ターゲットを用いて爆縮実験を行う．DT

日に，照射一様性を観測するための球殻（Symcap）ター

を H で希釈することで核融合出力（＝中性子発生数）が低ゲットを配置した低温のホーラムターゲットに1.3 MJの三減され，大量の中性子照射によって引き起こされる様々な倍高調波を入射することに成功した．これはターゲットに

計測器の障害を避け，燃焼直前における核融合燃料の温度照射したエネルギーとして最も大きな値であった．予備的や面密度を計測することができる．最終段階は DT が等量な解析では，ホーラムの温度は 300 eV（摂氏約３５０万度）に混合された核融合燃料ターゲットを使った点火実証実験で達し，間接照射ターゲットで達成された最も高い値を記録ある．

した．この１，２年で DT 燃料を封入したターゲットを使い点火実証を行うために，NIC チームは現在第四段階に向け

２００９年秋に NIC の第二段階までの実験が実施された．最た調整を継続している．

初の実験はホーラム中でのエネルギー輸送の理解および球殻ターゲットの調整を目的に実施された［１５］．球殻ターの吸収率，X 線放射温度，一様性の制御が点火の設計値を３．NIF に お け る 基 礎 科 学 研 究／Fundamental
Science at NIF

満たしていることが確認された．特筆すべきことは，入射点火実証用の核融合燃料を駆動する X 線パルスは，平板したレーザーエネルギーの約85％がホーラムでX線に変換

や他形状のターゲットを駆動して，極限的な温度・密度・され，X 線放射温度の最大値が 300 eV を越えたことであ

圧力（温度〜108 度；密度〜1000 gm/cm3，圧力１０１１気圧以る．X 線パルスの照射一様性の調整も行われ，低温冷却上）を作り出すことにも利用できる．最近発表された米国

ターゲットを用いた実験が実施可能であることも確認され

政府の報告書［１８‐２１］の中で，極限状態における物質科学，

た［１６］．

いわゆる高エネルギー密度科学は成長著しい重要な科学領

ゲットの爆縮実験では，1.3 MJ のエネルギーで，レーザー

NIC は二つの主目的のうちの一番目，つまり球殻燃料を域であると言及されている．極限状態を作り出すことがで用いた最初の慣性核融合統合実験を２０１０年９月２９日に達成

きる性能を有する NIF は，まったく新しく未踏の科学の最した．これは NIF における最初の慣性核融合統合実験であ前線を切り拓き，上述の報告書で議論されている科学的疑り，フルスケールでの点火実験への先駆けとなるものであ

問を解決するための魅力的な手段を提供する［１８］．NIF

る．図４は NIF における最初の慣性核融合統合実験で使用において研究される科学分野には，天文学，物性科学，凝されたターゲットの写真である．この実験では THD 燃料

縮系物理，流体物理，慣性核融合，プラズマ物理，核物理，が用いられ，点火実験で必要なレーザー，低温ターゲット

およびその他の分野が含まれる．
（以下の議論は参考文献

装置，複数の計測器，関連施設が点火実証に向けて順調に［２２］に詳しく記述されている．詳細については参考文献

動作していることが確認された．全１
９２本のレーザービー［２２］およびその引用文献をご覧いただきたい．）

ムのエネルギー 1 MJ がホーラムの中に注入され，２６台の

図５（左）に示した乱流力学，非線形放射流体力学，放射計測機器は順 調 に動 作 し た．過 去 に 得 ら れ た 輻 射温度

プラズマおよび関係科学の基礎実験の場を提供すること（〜290 eV）と矛盾のない結果が得られ，中性子の発生数はで，NIF は実験室天文学の分野で主要な役割を果たすと期

１０１３個であった．

待される．実験室天文学という新興分野の重要性は，2010

２
０１０年１０月３１日にはNICチームは三回目の中性子計測器

U.S. National Academy of Sciences Astronomy and Astro-

図４ ２
０
１
０年９月２
９日に使用した低温固化燃料層ターゲットの写真（左）と NIF ターゲットチャンバーでのショット直前の写真（右）．

２９８Commentary

Inertial Confinement Fusion and High Energy Density Science Experiments at the National Ignition Facility

E.I. Moses et al.

図５ （左）
星の生涯における重要な場面と，それぞれの場面において NIF での研究対象となる物理過程を示す．（右）木星における重要な特徴と未解決な問題を示した木星の断面図．NIF では木星内部の圧力を越える環境を作りだすことができる．

physics Decadal Survey［２３］の中で言及されている．

いる．IXO と NIF 実験によってブラックホールの回転，関基礎科学および実験室天文学分野においてNIFが果たす

連物理および大重力の理解が進むと期待される．

重要な役割の一つが，圧縮性流体の流体力学に関する実験

核物理も注目されるテーマである．高い中性子線量が低の場を提供することである．高出力レーザーを使い慣性核

励起状態核の存在比に与える影響を調べ，低励起状態核の融合に関連する流体不安定性の成長率を調べる技術は既に存在比が宇宙における重元素の核形成速度や過程に与える

確立されている［２４］．この技術は天文学にも応用できるこ

影響を NIF で調べることが計画されている．重水素充填とが見いだされ［２５］，特に超新星爆発の流体力学［２６‐２８］，

ターゲットをNIFで爆縮した時に得られる密度および温度

わし星雲のような星の形成領域での分子雲の時間的発展

は，漸近巨星分岐星（AGB 星）の状態（温度 2-12 keV，質［２９‐３２］を調べることができる．

量密度 100 g/cm3）に近く，中性子強度は 1017 W/cm2 に達

非線形および乱流状態の輻射駆動流体物理のように，こし 1010 倍であることは注目に値する．加速器実験では不可れまで調べることが不可能であった研究がNIFで可能にな

能な，励起状態を含んだ核断面積の測定が可能である．

る．NIF での達成が期待される典型的な物理量は，レイノ

惑星内部や凝縮物性の分野では，OMEGA レーザー［４］

ルズ数が106 以上で，マッハ数が１０以上である．超新星爆発

および他の装置で過去に取得された物性値［３８‐４３］が，巨残骸および原始星／宇宙ジェット中で観測されている無衝

大惑星の深部の圧力（100 Mbar）に匹敵する高い圧力領域

突衝撃波の研究においてNIFが貢献することは約束されてでも測定可能になり，従来は到底調べることができなかっいる［３３］．これらの実験は，超高エネルギー宇宙線の起源

た圧縮状態の物質の研究［２２］が可能になる．得られた実験や星の形成過程を解明する助けになると期待される．

結果は，惑星内部に存在する物質の状態方程式やその他の流体力学に関する研究に加え，NIF ではオパシティーお

物性値を定量的に理解するのに活用される．このような実よび光電離プラズマの実験も行われる．これらの研究は天

験は，表面温度から推定された木星と土星の年齢の差［４４］文物理として興味深い研究であるとともに，他にない Xのような長年の疑問に解決の糸口を与える．特に，NIF

線加熱環境を NIF が提供できるという利点を生かすことにおける測定は，木星および土星の内部で起こっているとで，幅広い科学領域から興味を集める．Z 装置で行われたされている水素とヘリウムの相分離の仮説を検証する助け

過去の実験では，温度〜150 eV，電子密度〜8×1021 cm−3になる．この仮説が正しければ，惑星の中心部にヘリウムのプラズマのオパシティー計測が実施されている［３４］．

が沈殿していると予測されている［４５］．NIF での測定にNIF では太陽中の放射層（電子温度〜200 eV，電子密度より，系外惑星の構造を理解するために必要な状態方程式

23−3

10 cm ）に近い状態でのオパシティーが測定できる．取のデータも得られる．緩やかな圧縮法および他の圧縮技術得したデータを用いて，星の内部のシミュレーションの精によって，凝縮物性や固体可塑流［４６］の分野で未踏の高圧度の検証が行われる．NIF では，Z 装置で過去に行われた力環境下での研究が可能になる［２２］．

光電離プラズマ実験も行われると期待される［３５］．NIF

上記のような研究環境の場を広く提供するために，NIFを使うことで，従来よりも高強度の X 線が発生可能であ

における実験提案の第一回目の公募を２００９年９月に行ったり，高エネルギー天文物理に関連した実験が行われ，放射［８］．公募は米国並びに海外の研究者から受け付け，多くの駆動の中性子星やブラックホール周辺の降着円盤からの X

提案が届いた．審査会で高い評価が得られた提案につい

線発光の解析に使われているモデル［３６］の検証が実験デーて，NIF での実験に向けた準備が現在進められており，米タを使って行われる．降着円盤は宇宙の主要な X 線源の一国，英国，フランスおよび日本からの研究者が参加していつであり，国際 X 線観測（International X-ray Observatory:

る．

IXO）
［３７］では，将来計画の中で主要な観測対象となって２０１１年２月１４日に日本学術会議総合工学委員会が主催で
２９９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.5 May 2011［５］See the LULI website; http://www.luli.polytechnique.fr/［６］See the VULCAN website; http://www.clf.rl.ac.uk/Facilities/Vulcan/Vulcan+laser/12250.aspx［７］H. Azechi and the FIREX Project, Plasma Phys. Control.
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［２０］Interagency Task Force on High Energy Density Physics, Report of the Interagency Task Force on High Energy Density Physics (National Science and Technology Council,
Committee on Science, Office of Science and Technology

日本学術会議講堂にて「超大型レーザーによる高エネル
ギー密度科学の展望」のシンポジウムが開催された．産学官および一般から２００名を越える参加があり，NIF，激光
XII 号レーザー，LFEX レーザー等を利用した高エネル
ギー密度科学分野への注目の高さが伺われた．続く２月１５日には泉ガーデンコンファレンスセンターでワークショッ
プが開催され，個々の研究テーマについて専門的な議論が交わされた［４７］．

４．まとめ
１９２本のビームを有する NIF は２
００９年３月に完成し，世界で最初に運転されたメガジュール級レーザーとなった．
NIF の重要な目標は慣性閉じ込め核融合方式による点火の実証であり，米国内外の関係機関からの研究者で構成された NIC チームによって遂行されている．長年の研究開発によって，NIF レーザー，点火に必要な装置，高品質なター
ゲット，計測機器など点火に必要なものは揃った．低温の核融合燃料球殻は実験現場に供給され，点火実験に必要な全ての技術との組み合わせ調整が行われている．NIC 実験
による最初の結果は，点火実証を期待させるものである．
NIF における点火実証は，慣性核融合方式の科学的妥当性を証明し，長期にわたり持続可能な無炭素エネルギーである核融合エネルギーの開発を促進すると期待される．極限的な圧力・温度環境を NIF で 作 り 出 す こ と が 可 能 になり，天文物理，物性，凝縮物理，流体力学，慣性核融合，プラズマ物理，核科学など，極限的な状態にある物質科学と関わるすべての分野において，新しい現象・物理の発見に繋がる研究環境が誕生した．NIF のみならず各国で各種高出力レーザー装置が完成しており，高エネルギー密度科学の黄金時代，数多くの発見が期待される真にエキサイティ
ングな１０年が始まっている．

謝辞

本 研 究 は Lawrence Livermore National Security, LLC,
(LLNS) under Contract No. DE-AC52-07NA27344 の支援のもと実施された．
本解説は E. I. Moses ， C. J. Keane ， R. Al-Ayat ，B.A. Remington，G.W. Collins が執筆した英文原稿を大阪
大学レーザーエネルギー学研究センターの藤岡慎介が和訳したものである．

参考文献［１］G.H. Miller, E.I. Moses and C.R. Wuest, Opt. Eng. 43, 2841
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３００Commentary

Inertial Confinement Fusion and High Energy Density Science Experiments at the National Ignition Facility

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