LLNLの研究者は、制御可能な核融合エネルギーを進歩させるために、3Dプリントを使用して完璧な点火ターゲットを作成します

2022年12月、米国のローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）は、国立点火施設（NIF）で核融合装置の点火試験を達成した。この画期的な実験は、国の核兵器備蓄の安全を確保することを目的に計画されたもので、ほぼ無制限で安全、かつ炭素を排出しない核融合エネルギーの実現への希望も抱かせている。 LLNL によれば、3D プリント技術は、慣性核融合エネルギー (IFE) 発電所を実現するための現在の取り組みにおける科学的および技術的なギャップを埋める潜在的な解決策を提供します。

「再現可能な核融合点火が実現した今、当研究所の数十年にわたる専門知識が、レーザー核融合発電所に必要な核融合エコシステムを構築するという困難な課題に伴う中核的な物理学と工学の課題の解決に急速に応用されています」と、LLNLの慣性核融合エネルギー機関（IFE-STAR）プログラムのディレクター、タミー・マー氏は述べた。「点火グレードのターゲットの大量生産はその1つであり、最先端の3Dプリンティングは、この目標の達成に役立ちます。」
今日の点火ターゲットは、キャビティと呼ばれる金の円筒の中に吊り下げられた、重水素と三重水素 (DT) の核融合燃料を包んだほぼ完璧な中空のダイヤモンド球です。強力なレーザーエネルギーにさらされると、これらの水素同位体は融合し、反応を開始するのに必要なエネルギーよりも多くのエネルギーを生成します。点火ターゲットには球状基準に対する非常に高い要件があり、NIF 球状デバイスが地球サイズに拡大された場合、ロサンゼルスのハリウッドサインよりも大きい球状表面の欠陥は不適格とみなされます。
△ ターゲットキャビンを備えた NIF ホログラフィックキャビティの断面。拡大すると詳細を確認できます。出典: LLNL
NIF ターゲットの製造には数か月かかりますが、稼働中の核融合発電所には 1 日あたり約 100 万個のターゲットが必要であり、1 秒間に 10 回ターゲットを発射する必要があります。物理的な反応はNIFでの点火と似ていますが、ターゲットの生成には大規模に実行できるまったく新しいアプローチが必要です。
新しいアプローチを模索する過程で、研究室主導研究開発 (LDRD) の取り組みにより、NIF で 3D プリントオブジェクト機能の開発が進められています。 James Oakdale 氏と Xiaoxing Xia 氏が率いるこのプロジェクトは、完全に 3D プリントされた燃料カプセルの設計、製造、特性評価、展開のためのワークフローを構築することで、付加製造を進歩させます。また、同社は、点火ターゲットの厳しいエンジニアリング要件を満たすために、積層造形の現在の限界を押し広げる、初めてのデュアル波長 2 光子重合 (DW-2PP) アプローチも開発しています。
「私たちは、毛細管現象によって球形カプセル内の均一な泡層に液体 DT を吸い込むことができる特定のタイプのウェットフォームカプセルに注目しました」と、研究室の材料工学部門の共同主任研究員兼研究者である Xia 氏は語ります。「現在の DT 氷層形成プロセスは、細心の注意を払って行うと最大 1 週間かかります。3D プリントは、このような大規模で複雑な形状を実現できる唯一のツールかもしれません。」
△NIF実験に使用した3Dプリントターゲットカプセル。出典: LLNL
さらに、新しいDW-2PP方式により、印刷解像度がさらに向上し、マルチマテリアル印刷が可能になります。このプロジェクトが成功すれば、点火ターゲット空洞の 3D 印刷における重大なボトルネックを解消できることになります。
「当社の DW-2PP プリンターは、異なる波長の 2 つの光源を使用して、サブマイクロメートルの解像度でさまざまな材料を選択的に印刷します」と、同研究所の材料科学部門の研究員で共同主任研究員のオークデール氏は語ります。「この新しい機能により、カプセルと内部のフォームの両方の空間化学と密度を正確に制御できるため、カスタムまたは 1 回限りのカプセル設計に迅速に対応できます。」
この研究はすでに有望であり、3Dプリントされたターゲットは2024年にNIFの2つの実験で成功裏に使用され、来年にはさらに多くの実験が期待されています。
この技術が核融合エネルギーの解決策となり得るかどうかはまだ分からない。 NIF の実験における 3D プリントの使用は、地下実験を必要とせずに NIF のような単一の施設を使用して核兵器について学習する国家核備蓄管理プログラムにすでに重要なデータを提供しています。
「核融合技術の開発は、米国の競争力にとって戦略的な資産です」と、LLNLのNIFおよび光子科学部門の主席副所長ジェフ・ウィソフ氏は語った。「核融合点火というこの歴史的な成果を基盤として、基礎科学技術に投資しなければなりません。そうすることで、備蓄が確保されるだけでなく、核融合エネルギー革命の基盤も築かれるのです。」

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