1

高速点火実証実験第一期の進展

疇地 宏大阪大学レーザーエネルギー学研究センター

核融合科学技術委員会 2017. 1. 25

Implosion Heating Ignition

Primitive idea by

T. Yamanaka, int. rep. 1983.

N. Basov, J. Sov. Laser Res. 1992.

Matured concept by

M. Tabak, PoP 1994.

T. Yamanaka N. Basov M. Tabak

高速点火実証実験 FIREX Fast Ignition Realization EXperiment

2

ナノ秒爆縮レーザー

GEKKO-XII

ピコ秒加熱レーザー

LFEX

rR ~ 0.1 g/cm2

②FIREX-II/点火

rR ~ 1.2 g/cm2

①FIREX-I/5千万度加熱

③炉心プラズマ/高利得

rR > 2.0 g/cm2

FIREX-I から炉心プラズマの点火部に本質的な差は無い。

FIREX-I 点火温度への加熱FIREX-II 点火の実証

２． 加熱用レーザー建設の進展と稼働状況

3

Interaction

chamber

SM1

SM2

M2

M7

M7

M6

M4

M3

M9

M-10

M1

Grating 2

Grating 1

Monitor 1

Monitor 3Off axis

parabola mirror

M5

SiO2

HfO2SiO2HfO2

0.575 µm

Beam# 4 beam

Energy 700 J/beam, 2.8 kJ/total

Duration < 1 ps

Wavelength 1053 nm

2014 年度末4ビーム化完了！

3

加熱用LFEXレーザー

高速点火方式における最重要課題

4

高速電子を「止める」レーザーとプラズマの相互作用によって発生する相対論的電子 (REB)

のエネルギーが高すぎ、燃料に吸収されない。

高速電子を「ガイドする」レーザーとプラズマの相互作用によって発生する相対論的電子 (REB)が発散するので（100 度以上の発散角)、燃料と衝突しない。

加熱レーザー

高速電子

核融合燃料コーン

プレプラズマによる高速電子の高エネルギー化

5

プレプラズマ無し プレプラズマ有り

0.1 1 10 10010

14

1015

1016

1017

1018

1019

1020

1021

f(E

) [

a.u

.]

Energy [MeV]

w/o pre-plasma

with pre-plasma

最適電子が減少

高エネルギー電子の増加

エネルギー分布

*T. Johzaki et al., Nuclear Fusion (2011).

プレプラズマの発生原因・ 加熱レーザーのフットパルス、ペデスタル・ コーンの破断

Time (ps)

Rela

tive

Po

we

r

100

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

10-10

-450 -350 -250 -150 -50 0 50 150

6

Flu Virus

~100 nm

Tokyo Skytree

~ 1000 m

Pedestal : Peak ≈ Virus : Skyscraper>10 orders of magnitude

previous

Cool REB：加熱レーザーのクリーン化2 ペタワット=全世界の

瞬時電力の1200倍

プレパルス有り

プレパルス無し

プレパルス有り@加熱レーザー前1.5 ns

電子爆縮コア

加熱 加熱できず

<3MeV

>>3MeV

電子エネルギー

電子

数(/

MeV

)

プレパルス無し@加熱レーザー前0.15 ns

加熱レーザービームの高性能化（高コントラスト化）により，高速電子ビームの低エネルギー化に成功 7

Cool REB: 効果検証*S. Fujioka and FIREX team, Phys. Plasmas (2016).

nb

(cm-3)

2.1ps 2.1ps

Bz,ext = 0 Bz,ext = 2 kT

Bz

Fuel

加熱レーザーBx

Gyromotion due to external B-fields

Guiding REB: 磁場ガイド概念

D. J. Strozzi et al., Phys. Plasma (2012). T. Johzaki et al., Nuclear Fusion (2014).

8

9

Guiding REB: キロテスラ磁場の発生

electron

Plasma

--

-

-

--

-

B

current

プラズマの生成プラズマから放出される電

子の蓄積金属板間の電位差による

電流の駆動

#H. Daido et al., PRL (1985), C. Courtois et al., JAP (2005).*S. Fujioka et al., Sci. Rep. (2013), Law et al., APL (2016).$J. J. Santos et al., NJP (2015).

10 µm

長距離伝播後の高速電子ビームの空間広がりビームの伝播領域に約1 kTの外部磁場を印可し，ビームの集束を確認

w/o Bextw/ Bext

Bz

10umwith B-field

10umw/o B-field

レーザー生成キロテスラ磁場を用いて，レーザー加速電子ビームのガイディングの原理実証 10

Guiding REB: 効果検証M. Bailly-Grandvaux et al., Nature Comm, (under review)

8.0 8.2 8.4 8.6 8.87.8

Ｘ線スペクトル

Photon energy (keV)

w/ B

w/o B

11

加熱実証：実験配位Cu添加ターゲットにより電子ビームの伝播を可視化

LFEX

加熱タイミングモニター

Cu-Ka単色カメラ

X線分光器

X線分光器

Cu-Ka X線影絵

圧縮プラズマ

コイル

コーン

LFEX

Cu-Ka X線発光像

Cuドープ中実球

実験レイアウト

外部磁場の印加によって，銅のK殻からのX線が増大

加熱実証：X線スペクトル

磁場有

磁場無

Cu Li-like

satelliteCu-Ka Cu Hea

@+400 ps

1460 J

2020 J

890 J

Ni Kb

Au

L@+400 ps

12

加熱実証：温度推定

13

Energy (keV)

Calculated with FLYCHK

No opacity effect

(8 g/cm3, 2200万度)

Experiment

Inte

nsit

y (

a. u

.)

•高密度のプラズマを2200万度以上に加熱することに成功。•放射冷却のため、真の温度は3000万度と推定。

Cu Li-likesatellite

Cu Hea

加熱温度の更なる上昇に向けて・デフォーマブルミラーの挿入残り3ビーム分のデフォーマブルミラーを導入し、コアプラズマの断面積内に含まれるLFEXレーザーのエネルギーを増やす。

14

加熱温度の更なる上昇に向けて・ビームパターンの改善による高出力化蒸着のヒビ割れに起因するビームパターンの乱れが，エネルギーの上限を決める。

15

大型ポラライザー

蒸着のヒビ割れ@大型ポラライザー

ポラライザー通過後のビームパターン

ビームパターンの乱れ

レーザー装置

ビーム輸送

粒子線加速

臨床部

NIKKEI NewspaperJAEA(2011)

産業医療

放射線治療

ギア タービン・ブレード

3Dプリンティングの最終過程

材料開発

レーザー表面処理 (a-Si)

ペロブスカイト・セラミック

発電実証を行うLIFT

16〜2025 国際連携

自己点火を行うFIREX-II原理実証を行うFIREX-I

レーザー加工・ピーニング

次世代半導体製造技術

宇宙の謎真空の謎惑星の謎

実験室宇宙物理 真空量子物理地球惑星科学

星の謎

学術フロンティア 社会基盤宇宙デブリ除去

レーザー推進建造物非破壊検査

〜2016

〜2040

J-EPoCH

レーザー核融合開発の道程

11

17

Recent progress on NIF towards ignition

has been encouraging

Energy out

Energy in

to the fuel

アルファ加熱の開始→核融合点火への大きな前進

核融合出力=2ｘ燃料エネルギー

米国立点火施設NIFの現状

米国立点火施設NIFの現状

Lawrence Livermore National Laboratory 23

Rosen APS/DPP 10/14/14 LLNL-PRES-662854

Whereas NIC Low Foot implosions “went down” at higher velocities, the High Foot implosions went up…

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

1E+14

1E+15

1E+16

Fuel R (g/cm2)

DT

neu

tro

n y

ield

1.1x

1.3x

1.5x

2x

5x

10x

20x

100 kJ

10 kJ

1 kJ

100J

N110914

N120321

N100929

N120405

Ya/Yno-a

…albeit, at lower compressions,

but

more stable,

as evidenced by…

Aug 2013

May 2013

Jan 2014

0.26

0.13

high foot

low foot

Lawrence Livermore National Laboratory 46

Rosen APS/DPP 10/14/14 LLNL-PRES-662854

There are several other potential seeds for instability

Phase-Shifting Diffraction

Interferometer (PSDI)!

R-T growth is seeded where tent leaves capsule

Support “Tent”!~ 50-nm-thick plastic (Formvar)!

Fill Tube!~ 10-µm-diam SiO2!

Bumps and “divots”!Bumps, divots, dust, bulk inhomogeneities

Lawrence Livermore National Laboratory 46

Rosen APS/DPP 10/14/14 LLNL-PRES-662854

There are several other potential seeds for instability

Phase-Shifting Diffraction

Interferometer (PSDI)!

R-T growth is seeded where tent leaves capsule

Support “Tent”!~ 50-nm-thick plastic (Formvar)!

Fill Tube!~ 10-µm-diam SiO2!

Bumps and “divots”!Bumps, divots, dust, bulk inhomogeneities

中性子数と燃料面密度燃料をわずかに予備加熱するHigh Foot Pulseを用いることで，アルファ加熱による中性子発生数の増大を観測

ホットスポットと主燃料の流体混合

の要因①燃料球をホーラム内に支持するためのテント②燃料を注入するためのフィルチューブ③燃料カプセルの凹凸

ホットスポットと主燃料の流体混合を抑制することにより，アルファ粒子による自己加熱が始まる． 18

ホーラム内壁の動きを抑えるためにHeガスを封入→レーザー-プラズマ相互作用の悪影響

レーザー光の散乱による有効エネルギーの低下

ビーム間のエネルギー移行（Cross-Beam Energy Transfer→赤道面上でのX線強度の低下

→扁平なプラズマの形成

高密度カプセル→レーザーパルス幅の短縮によりホーラム内を真空化。

→レーザー-プラズマ相互作用の低減

流体混合の低減とX線の一様性向上により、核融合点火の実証を目指している．

Lawrence Livermore National Laboratory24

Pxxxxxx.ppt–Edwards, Plasm

a Conf. Niigata, 11/19/14

Capsule instability      Asymmetric DT hot spot

Major challenges

Growth x Surface seedsis too large leading to m

ix at lower velocity than predicted

X-ray push on the capsule is not sym

metric enough resulting in loss

of efficiency at stagnation

Lawrence Livermore National Laboratory 20

Pxxxxxx.ppt – Edwards, FPA, 12/16/15

Program has moved to low fill hohlraums –30-50% more efficient, very low LPI, but different challenge

19

米国立点火施設NIFの現状

ホーラム（空洞）

レーザー

燃料

20

世界のレーザー核融合の現状

France LMJ

4

Building construction

top – 30.09.2015 bottom – 16.09.2016

Russian UFL-2M

中国神光-III&IV

@フランス ボルドー1.8 MJ 0.35µm 176 beams2017 8ビーム+短パルスPETAL運転

ユーザー提供開始2022以降 完成

@ロシア ニジニ・ノヴゴロド州サロフ1.8 MJ 0.35µm 192 beams2016 建屋建設開始

神光(ShenGuang)III ＠綿陽0.18 MJ 0.35µm 48 beams2016 運転開始

神光IV @蘇州（計画）1.5 MJ以上 0.35µm 298 beams2020? 完成

超高強度場の基礎科学

○欧州のバランスのとれた発展のため、東欧3カ国に拠点設立

○レーザー施設は欧米先進国が供給

○欧米の学位取得者を集めコミュニティー形成

http://www.eli-beams.eu/media/documents/

200PW

Beamlines (チェコ) Attosecond (ハンガリー) Nuclear Physics (ルーマニア)

仏メーカー (Thales, Amplitude) 、英（Rutherford)、米 (Livermore, Texas）がレーザー供給

1〜10PW, 4ビーム (€278M) 2PW, 複数ビーム (€245M) 10PW, 2ビーム (€356M)

サイト未定

21

Extreme Light Infrastructure in EU

日本人の所長

高速点火レーザー核融合実証実験 (FIREX)プロジェクトの進展 世界最大の2PWレーザーであるLFEXレーザーを完成 レーザーパルスの高コントラスト化により電子ビームを低温化：

クールREB キロテスラ磁場により電子ビームを燃料へ誘導：ガイディングREB 推定3000万度の加熱温度を達成：加熱実証

これからの展開 加熱レーザーのエネルギー向上による点火温度の達成 国際競争力のある繰り返しパワーレーザー施設としてJ-EPoCH* FIREX-IIの国際連携による自己点火実証を提案

*Japan Establishment for POwer laser Community Harvest

世界のレーザー核融合研究の現状 米国立点火施設でのアルファ加熱の開始と点火実験の延長 フランス、ロシア、中国での点火施設建設 EUにおけるELIプロジェクト

FIREXまとめ

22