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高出力レーザーを利用したレーザー核融合実现に向けた研究
水素を燃料にエネルギーを生み出す「レーザー核融合」の実现に挑む。
私は长年、「レーザー核融合」というエネルギー开発に関する研究に取り组んでいます。「レーザー核融合」というのは、非常に高出力のレーザーを用いて核融合を実现するもので、これが実现すれば、エネルギー问题の解决にもつながると期待されている技术です。核融合の研究をしたいと思って进んだ大学时代からずっとこの研究を続けており、広岛大学に赴任する以前は、国内有数の研究组织である大阪大学レーザーエネルギー学研究センター（现レーザー科学研究所；以下、阪大レーザー研）等で、研究に携わってきました。现在も、阪大レーザー研を拠点とするその研究グループの一员として、理论?シミュレーションによる核融合実现に向けた物理现象の解明?点火予测と実験解析を行っています。
「レーザー核融合」の研究は、1960年代後半から開始され、国内では大阪大学レーザー核融合研究センター（現レーザー科学研究所）が1976年に発足し、本格的に研究がスタートしました。今から40年以上も前のことです。以来、日本でのレーザー核融合研究は、世界を牽引するほどに、強力に推し進められてきています。一方、海外でもこうした研究は進められており、なかでもアメリカでは、フットボール場4つほどにもなる大規模装置 国立点火装置による研究が推進されています。「レーザー核融合」は、世界の名だたる国々が国家プロジェクトとして取り組んでいる最先端研究のひとつと言えるでしょう。
では、「レーザー核融合」とは、どのようなものなのか。その原理を简単に説明しましょう。まず、重水素等の水素の同位体による球殻状の燃料ペレットに、强力なレーザー光を均一に照射すると、高圧のプラズマが発生します。このプラズマの喷き出し（アブレーション）の反作用で、燃料球殻が内部へと加速されます。加速された燃料球殻は、中心に向かうにつれて圧缩され、最后に燃料の中心で衝突することで固体の数千倍の超高密度状态の核融合燃料コアを形成します(爆缩)。この时、燃料温度が核融合点火に必要な温度まで达していると、燃料が惯性力で留まっている间に、爆発的な核融合燃焼反応が生じます。これがレーザー核融合の原理で、その际に放出される膨大なエネルギーを取り出して活用することが期待されている訳です。核融合による発电は、太阳の中で起きている核融合反応を地上で制御した形でおこすことから「ミニチュア太阳」と呼ばれています。
このレーザー核融合にはいくつかの方式があります。燃料球の爆缩法による分类として、燃料球に直接レーザーを照射する直接照射方式と、燃料球を囲む金属の筒（ホーラム）の内壁にレーザーを照射してレーザー光を齿线に変换して、この齿线により燃料を爆缩する间接照射方式があります。また、核融合点火方式には、爆缩过程を通じて圧缩燃料中心に高温の点火部を形成し、核融合点火を実现する中心点火方式と最大圧缩时に外部から燃料の一部を瞬时に核融合点火温度まで加热する高速点火方式があります。自动车のエンジンで圧缩による自着火を行うディーゼルエンジンとスパークプラグによる点火を行うガソリンエンジンのような违いです。
アメリカが中心となって研究を进めているのは、従来から行われている、燃料の圧缩と加热を同时に行い、核融合点火を実现する间接照射型中心点火方式レーザー核融合です。一方、私たちが研究しているものは、直接照射型高速点火方式レーザー核融合で、直接照射により爆缩した超高密度燃料コアに、超高强度?超短パルスレーザーを照射して燃料の一部を加热して核融合点火を実现する方式です。
核融合研究は60年以上続いている研究ですが、日本に比べ予算规模が大変大きなアメリカでさえ、いまだ点火を実现できておりません（あと一歩のところまでは来ておりますが）。このような状况のもと、私たちの研究グループは今年9月、新たな研究成果を発表しました。これまで课题となっていた爆缩高密度燃料コアの高効率加热の実証に、外部からキロテスラ级磁场を印加することで、成功しました。この方式は「磁化高速点火方式」と呼ばれ、コンピューターシミュレーションによる予测を行い、実験にて高効率加热の実証を世界に先駆けて実现しました。これは、「レーザー核融合」の実现に向けた大きな一歩であるとともに、幅広い分野への応用が期待される成果であると评されました。私も今后は、さらに详细なシミュレーションや理论解析を行うことによって、核融合点火へのシナリオを明らかにしていきたいと考えています。
実现は次世代？その大きな目标に贡献するシミュレーション技术。
この「レーザー核融合」が実现できるようになれば、持続的にエネルギーを供给することが可能になり、エネルギー问题の解决に大きく贡献できると思います。でも、その実现は近い未来なのかというと、それほど甘くはありません。早くても30～40年は先の话だろうと予想されています。随分、気の长い话だと思われるかもしれませんが、私たち研究グループは、一歩一歩、课题をクリアしながら、着実に前进を続けています。
私自身は、物理好き、数学好きが高じて、この研究に携わる道を选び、今日まで歩んできましたから、この研究自体をとてもおもしろいと感じています。総じて、「レーザー核融合」の研究者というのは、究极のエネルギー源开発という目的のもと、とにかく长く続けている人が多いです。それだけではなく、レーザー核融合で生じるさまざまな现象に対する研究から得られた物理的?工学的知见を、それに関连する物理现象や工学?医疗など応用分野へアウトプットすることも行われています。私自身は、物理现象の理解とまだ実験できないような将来の核融合燃焼の解析?予测を行う数値シミュレーションによる研究に兴味を持ち、この研究を行っている訳ですが、シミュレーションでは、コードに取り入れた物理现象しか计算结果には出てこない訳ですね。物理现象を记述する基础方程式を、様々な数値解法を用いて离散化してコードに组み込んで、シミュレーションを行って解析し、より高精度化するためにまたコードの改良を行い…といった数値解析、その结果から実験提案も行うという研究スタイルがおもしろいと思っています。シミュレーションはシミュレーションでしかないという见方もあるかもしれませんが、シミュレーションで见える世界、明らかにできる部分、もしくはシミュレーションでしか见られない世界もあります。私は、シミュレーションで描き出すものが、现実の世界でも実现できるようになったらと愿っています。そして、「レーザー核融合」のような复雑な物理现象の解明とその実现には、シミュレーションは欠かせないものであり、大きく寄与することができると思っています。
未来を创り出すレーザープラズマ研究。若い皆さんの参加に期待。
私の学生时代はというと、决して研究一筋というタイプではなく、学部时代はグライダー部に所属し、研究よりは部活の方に热心でした。1週间単位の合宿でフライトを行うため、讲义と重なることもあり、単位取得はなかなか大変でした。大学院进学を决めたのは4年生后期になってからで、すでに大学院入试も终わっていたため、1年间の浪人を経て大学院へ进みました。大学院修了后は、ポスドクでなんとか研究を続けて、现在は広岛大学の教员となっているのですから、学部生の顷の自分に、こんな未来は想像できていませんでした。いずれにせよ、やりたいことに梦中になってきた人生だとは思っていますが。
ここで、私の所属している反応気体力学研究室についてご绍介します。远藤琢磨教授は、化学反応の爆発的な燃焼であるデトネーション现象の基础研究から、発电や高性能被膜作成への応用研究まで幅広くなされています。先生も元々は、大阪大学でレーザー核融合の研究をされ、その后は航空宇宙の分野の研究をされてこられました。助教の金先生は、安全安心な水素社会を目指した水素燃焼?爆発特性など水素安全技术に関する実験及びシミュレーションをメインに研究されています。私の「レーザー核融合」研究というのは、少し趣を异にするように感じられるかもしれませんが、「化学」か「核融合」かの违いはありますが、反応系で括れば同类で、また第4の状态といわれるプラズマは「电离気体」とも呼ばれるも、その特性は本质的には気体と同じです（そもそも燃焼ガスは弱电离しておりプラズマ状态になっています??）。研究室を俯瞰すると、そうした「反応気体」研究分野で构成されています。
さて、皆さんも记忆に新しいと思いますが、2018年のノーベル物理学赏が、「超短パルス?高强度レーザー」に革新的进展をもたらしたジェラール?ムル博士とドナ?ストリックランド博士に赠られたことは、我々のレーザープラズマ研究に新たなフェーズを感じさせる出来事でした。彼らが発明したチャープパルス増幅により従来の1000倍から1万倍以上ものピークパワーが得られるようになりました。この技术を利用して、爆缩高密度燃料コアを瞬时に核融合点火温度まで加热する高速点火方式の研究が一気に进展し、现在に至っています。また、従来の加速器にでは得られない超强电磁场による粒子加速や超高强度磁场生成などの物理研究や、その応用として、非破壊検査用コンパクト短パルス中性子源开発や医疗用粒子ビーム开発等の研究が进められているとともに、実际に超短パルス性を利用した材料内部の改质?加工に适用され、ディスプレイや电子回路基板加工に用いられています。こうした新たな技术によって、自分たちの研究が思わぬ进展を迎えることもあるかもしれません。レーザーを操ることは、エネルギーをコントロールすることであり、エネルギーをコントロールする技术は、确実に未来を拓くことにつながっていくと、私は确信しています。
この文章を目にした皆さんのなかに、少しでも兴味を覚えた方がいれば、ぜひ私たちの研究室を访ねてきてください。いつでも歓迎します。
Tomoyuki Johzaki
反応気体力学研究室
1992年3月 九州大学 工学部応用原子核工学科卒業
1993年3月 九州大学 工学部応用原子核工学科 研究生 修了
1995年3月 九州大学 大学院工学研究科 修士課程（応用原子核工学専攻）修了
1998年3月 九州大学 大学院工学研究科 博士後期課程（応用原子核工学専攻）修了
1997年4月1日～1998年3月31日 日本学術振興会 特別研究員（DC2）（九州大学）
1998年4月1日～2002年1月31日 日本学術振興会 特別研究員（PD）（九州大学）
2002年2月1日～2003年9月30日 大阪大学レーザー核融合研究センター 講師（研究機関研究員）
2003年10月1日～2004年3月31日 大阪大学レーザー核融合研究センター 研究員（科学研究費）
2004年4月1日～2009年3月31日 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター 特任研究員
2009年4月1日～2011年3月31日 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター 特任研究員（常勤）
2011年4月1日～2012年3月31日 財団法人 レーザー技術総合研究所 研究員
2012年4月1日～ 広島大学 大学院工学研究科 准教授
2020年4月1日～ 広島大学学術院（先進理工系科学研究科） 教授
