CoherentとNIF: 核融合エネルギー源の実現に一歩近づいた

世界最大のレーザシステムにより、Coherent大口径光学系を用いた自立型核融合の実現が近づきます。

2022年2月17日、Coherent

あなたが生きているのは、核融合のおかげです。それが太陽の力であり、太陽は地球上の生命を維持するためのすべてのエネルギーを供給しています。核融合を利用して地球上で発電することは、1940年代から試みられています。そして、米国のNational Ignition Facility（NIF）は、その実現に向けて少しずつ近づいています。

原子力発電はすでにあるのでは？

現在の原子力発電所は、核分裂によってエネルギーを生み出しています。核分裂は、ウランやプルトニウムのような大きな原子を分裂させます。大量の電力と同時に、放射性廃棄物も生じます。核融合は、原子（通常は特殊な水素原子）を結合させ、核分裂よりもさらに大きなエネルギーを放出します。副産物のヘリウムは放射性物質ではないので、有害廃棄物の処理や処分の問題もありません。

では、実際に核融合反応を起こすために、太陽の中心部のような極端な条件を作り出すには、どうすればよいのでしょうか。1つの方法は、500兆ワットの出力を持つ192本のレーザビームを、（20ナノ秒の間）直径数ミリの燃料ペレットに集中させて、1億℃に加熱することです。

その方法は、その名称のとおり非常に簡単です。

そして、NIFが実際に実現していることでもあります。NIFは、これまでに作られたレーザシステムの中で最大かつ最もエネルギーの高いシステムであり、想像を絶するほど複雑で洗練されたシステムであることは言うまでもありません。

NIFのレーザは、米国のサッカー場3つ分の広さの建物に設置されています。1本の赤外線ファイバーレーザから出力された光を分割し、何度も増幅することで、先ほどの192本のレーザ光を作り出します。望み通りの結果を得るために、あらゆる種類のビーム調整や変換光学系が組み込まれています。赤外レーザ光を、核燃料ペレットとの相性が良い紫外光に変換するための非線形結晶などです。

Coherentは高エネルギーレーザ光学系に注力

Coherent Tinsleyは、NIFが「Final Optics Assembly（最終光学系）」と呼んでいる部分で使用されるウェッジド・フォーカス・レンズ（WFL）を供給することで、この取り組みに貢献しています。これは、レーザビームを核融合ペレットに集光するシステムの一部です。

WFLはそれぞれ、400 mm×400 mmサイズ、焦点距離7.7 mの高品質な溶融シリカ製の軸外非球面レンズとなっています。Coherentは、NIFがこれらの部品に要求する驚異的なレベルの精度を達成するために、一連のコンピュータ制御の研磨装置と測定装置を採用しています。

WFLを生産する上で最も重要なことは、高出力のレーザエネルギーの吸収による光学系の損傷を最小限に抑えることです。これは、生産のあらゆる段階で表面の汚染を避けることを意味します。そのため、これらの部品の研磨工程はすべてクリーンルーム内で行われます。そして、WFLの最後のステップは、酸洗槽に浸して、レーザの性能を低下させる不純物や表面下の損傷が隠れている可能性のある、外側の研磨ガラス層をエッチングすることです。

しかし、NIFシステムでは膨大なレーザエネルギーが発生するため、WFLをはじめとする光学系の寿命は限られており、継続的に交換が必要となります。そこで、Coherent Tinsleyは、これをNIFに安定的に供給しています。そして、これらのコンポーネントがユニットごとに、あるいは時間の経過とともに変化しないことが重要な要件です。Coherentは、このような大口径の高精度非球面光学部品を安定して大量生産できる世界でも数少ないメーカーです。

しかし、NIFはレーザの出力をどんどん上げています。そのためには、WFLへの要求が高まる中で、これまで以上に優れた純粋な光学面を実現するために、自社の製造プロセスを継続的に改善していかなければなりません。