JP2014500487A - 核融合型電力のための間接駆動型ターゲット - Google Patents

Abstract

慣性閉じ込め核融合発電プラント用ホーラムが開示されている。ホーラムは、一般的に、円筒状の外部表面と、内側のラグビーボール形状の表面とを含む。ホーラムの各端部におけるレーザー用入口ホールを覆うウィンドウは、不活性ガスを封入する。中心点の両側にある赤外線リフレクタは、カプセルから遠くに核融合チャンバ熱を反射する。赤外線リフレクタに配置されたＰ２シールドは、核融合燃料カプセルの為の、増強された、より一様なＸ線浴槽を確実にすることを促進する。
【選択図】 図２

Description

連邦支援研究開発の下でなされた発明に対する権利に関する声明

[0001]米国政府は、米国エネルギー省とローレンス・リバモア・ナショナル・セキュリティ・エルエルシーとの間の契約第ＤＥ ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４号に従い、本発明における権利を有する。

関連出願に対する参照

[0002]この米国特許出願は、先に出願された２件、すなわち、シリアル番号第６１／４１１，３９０として２０１０年１１月８日に出願された"Inertial Confinement Fusion PowerPlant which Decouples Life-Limited Components from Plant Availability"という名称の米国仮出願、シリアル番号第６１／４２５，１９８号として２０１１年２月１日に出願された同一名称を有する米国仮出願に関連し、それらの出願からの優先権を主張する。
これらの仮出願は、それらの全体が参考の為に本願に組み込まれる。

発明の背景

[0003]本発明は、核融合反応用ターゲットに関し、特に、核融合ベースの発電プラント用ターゲットに関する。

[0004]国立点火施設（ＮＩＦ）は、カリフォルニア州リバモアにあるローレンス・リバモア国立研究所におけるレーザー・ベースの慣性閉じ込め核融合研究機関である。ＮＩＦは、レーザーを使用して、核融合反応を引き起こす温度及び圧力まで、ホーラム内部に含まれる重水素及び三重水素燃料のカプセルを加熱し、圧縮する。レーザー・ビームは、直接、カプセルに衝突せず、むしろ、レーザー・ビームは、ホーラムの内部表面に集束され、この技術は間接駆動として知られている。ＮＩＦの目標は、「点火」、すなわち、反応を開始する為に使用されるエネルギーより多くのエネルギーを生み出す状態に達することである。

[0005]ＮＩＦホーラムは、ほぼ円筒形空洞であり、その壁は、内部に向かって放射性エネルギーを放出する。慣性閉じ込め核融合への間接駆動法において、核融合燃料カプセルは、円筒形状ホーラムの内側に保持され、レーザー・ビームは、円筒端部にあるレーザー用入口ホールから入り、ホーラムの内部表面に衝突する。ホーラムは、カプセルで、Ｘ線としてエネルギーを吸収し、再び放射する。この手法の目標は、レーザー・ビームが燃料用カプセルに直接衝突するという直接駆動法で可能な方式より対称的な方式でエネルギーを再び放射させること、すなわち、ホーラムに干渉することなくエネルギーを再び放射させることである。

[0006]ＮＩＦに使用された典型的な従来技術のホーラム及びカプセルが、図１に示されている。

[0007]世界中で必要な高信頼性のクリーンな電気エネルギー源となる慣性閉じ込め核融合の為に、メガワット規模の発電プラントは、１秒当たり概略１０から１５個のターゲットを要することが推定されている。ターゲットは、核融合エンジン・チャンバの中に噴出され、レーザー列により発火される。ＮＩＦシステムは、そのターゲット・チャンバ内部のホーラムの内部表面にエネルギーを集束するため、現在、１９２個のレーザーを使用する。

[0008]費用効果的な核融合型電力の為に、慣性閉じ込め核融合ターゲット設計者達は、成功したターゲット爆縮の為の物理的要件に加えて、数多くの工学的用件を考慮しなければならない。これらの考慮事項には、ターゲット費が低いこと、製造上のスループットが高いこと、核融合チャンバの中への噴出を耐えぬき、適したレーザーターゲット交互作用を伴う状態及び物理的位置に達するターゲットの能力、爆縮後のデブリ除去が容易であることを含む。さらに、これらの要件には、核融合チャンバ中に噴出する加速力を取り扱う能力、熱い核融合チャンバの飛行通過中に三重点温度付近でコールドＤＴを維持するにも拘わらず、核融合燃料を含むカプセルの高効率の均一照光を与える能力が含まれる。

[0009]好ましい実施形態において、本願発明者等は、核融合燃料を含む中心位置でカプセルをホーラムが囲む間接駆動慣性閉じ込め核融合発電プラント用ホーラムを与える。ホーラムは、２つの端部領域と、これらの２つの端部領域間の中間領域とを備えた外部表面を有する。中間領域は、中心軸周りに第１直径の、ほぼ対称の円筒構成を有し、端部領域の各々は、第１直径から、ホーラム端部の（第１直径より小さい）第２直径まで、テーパが付けられている。ホーラムの端部領域の各々は、ホーラム内部にガスを封入する為の覆い部と、レーザー・ビーム用入口ホールとを有する。ホーラムの内部は、ガスが充填され、中心軸に対して楕円形状を有する内部壁により画成されている。

[0010]図１は、ＮＩＦにより使用されているような従来技術のホーラム及びカプセルを図示する。 [0011]図２は、ホーラム及びカプセルの好ましい実施形態の斜視図である。 [0012]図３は、温度プロファイルを図示するダイアグラムである。 [0013] 図４は、ホーラムに対し、時間による温度変化を図示するグラフである。 [0014] 図５は、ターゲットの他の実施形態を図示する斜視図である。 [0015] 図６は、様々な材料に伴う費用を図示するダイアグラムである。 [0016] 図７は、ターゲット噴出率、ターゲット費、電気の相対費用間の関係を示すグラフである。 [0017]図８は、ホーラム及びカプセル製造のための製造プロセスを図示するダイアグラムである。

発明の詳細な説明

[0018]本願発明者等は、現在、開発中の（しばしば、本願において、レーザー慣性核融合ベースのエネルギー（ＬＩＦＥ）発電プラントと言及される）レーザー・ベースの慣性閉じ込め核融合発電プラントの為に、これらの要求を満足するターゲットを設計した。この計画された発電プラントは、点火の為に複数のレーザー・ビーム駆動装置を使用する。
ＬＩＦＥターゲット設計に関連する当該システムのパラメータは、以下の表１に列挙されている。
[表１] 計画されたターゲットの要件
パラメータ 値
ターゲット毎の費用 ＜３０セント
反復率 １０−１２Ｈｚ
噴出加速率 〜６０００ｍ／ｓ²
噴出出口速度 〜２５０ｍ／ｓ
チャンバガス温度 ６０００−８０００Ｋ
チャンバガス圧力 〜２３トール
チャンバ壁温度 〜９００Ｋ
チャンバ半径 〜６ｍ
最大ＤＴ温度変化 〜１００ｍＫ

[0019]図２は、表１の基準を満足する本発明のターゲットの好ましい実施形態を図示する。核融合燃料を含むカプセル４０は、高密度炭素から形成された４ｍｍ径中空球形カプセルである。好ましい実施形態において、カプセルは、約１００μm未満の厚さを有する、ＣＶＤ法で堆積されたダイヤモンド・アブレータ壁を有する。ナノ多孔性フォーム、例えば、ＣＨ１．２が、カプセルの内部壁に裏張り（ライニング）をつける。内部の重水素−トリチウム（ＤＴ）燃料層は、約１５０μmの厚さである。使用中、カプセル及びホーラムは、概略２０Ｋ未満の低温まで冷却される。

[0020]ホーラム１００は、一般的に、絶縁壁３０を備えた、約２ｃｍの長さ、直径１ｃｍの鉛で形成される。ホーラム壁の内側に例えば鉛がメッキされた約２０μmの厚さの層の高Ｚ材料２０は、より効率の良いＸ線を与える。ホーラムは、予期された約２．２メガジュール（ＭＪ）のレーザー・エネルギーをカプセル４０に良好に結合する為に、ラグビーボール形状の内部８０を有する。内部表面の形状は、原点が垂直にオフセットされた円形弓形であり、ホーラムの所定寸法、例えば、最大及び最小の内部半径及び長さを満足する。

[0021]赤外線リフレクタ５０、典型的には、低Ｚ膜材、例えば、３０ｎｍ厚のアルミニウムのような薄い反射性金属層で被覆された炭素又はポリイミドは、核融合チャンバ内の放射線加熱からカプセルを保護するのに役立つ。「Ｐ２」シールド６０，７０は、典型的にはホーラムと同一の材料から製造され、ポリイミド膜に堆積されるが、カプセル４０の周りのＸ線槽の拡張機能と対称性を与える。追加の低Ｚ膜は、ホーラム１００の内部でカプセル４０を支持する為に使用される。ホーラムは、ヘリウム・ガスで充填され、これが、ホーラム壁の拡大の程度をしっかりと押し下げ、より高い対称性の制御を与える。ガスは、ホーラムの両端部にあるレーザー用入口ホールをおおうウィンドウ９０により内部に密封される。ホーラム１００の外部表面は、円筒側部を有し、核融合チャンバの中にターゲットを導入する為に使用されるターゲット・インジェクタによるガイダンスを可能にする。

熱的考慮事項

[0022]低圧（約２３トール）ゼノン雰囲気は、核融合チャンバ内で使用され、イオンの攻撃、熱核爆裂中に生成される即座のＸ線放射線の多くから核融合チャンバの第１壁を保護する。これにより、より多くの従来の材料を第１壁に使用できるが、この雰囲気を通るターゲットの飛行中、約１９°ＫでＤＴ層温度を維持することが困難になり、約８０００°Ｋの温度のままである。ホーラムの基板３０は、チャンバ中心までの約２４ｍｓの飛行時間中、熱いゼノンガスからカプセル４０を断熱する。

[0023]レーザー用入口ホール（ＬＥＨ）をおおう約５００ｎｍ厚さのグラフェン又はグラフェン組成ウィンドウ９０は、８０００°Ｋでキセノン雰囲気を急速に約２２００°Ｋまで加熱するが、グラフェンの温度限界（３０００°Ｋ）以下のままである。ホーラム内のヘリウム雰囲気充填部（約１ｍｇ／ｃｃ）は、熱ヒートシンクとして作用するホーラムに熱を移動させる。これは、図３により図示されており、図３は、ターゲットに対して、それが核融合チャンバを通過するときの予想温度分布を与える。図３に示されるように、９００°Ｋのチャンバ壁からの赤外線放射線は、ホーラムの内側でＩＲシールド６０，７０から反射される。これらのＩＲシールドは、約３０ｎｍの金属被覆アルミニウムで被覆された約４００ｎｍ厚の薄いポリイミド膜を備える。赤外線シールドは、カプセル４０付近のヘリウムを加熱する。ＤＴ温度は、約８０ｍＫの上昇が予期されるが、これは、最大の温度変化である１００ｍＫという本願発明者等の目標以下である。図４は、チャンバ内の飛行時間の関数として、予期される燃料温度の上昇を図示するグラフである。

構造上の考慮事項

[0024]ホーラムは、材料及び壁厚の選択により、〜６００ｇの噴出加速力に対し、十分に耐えるようになっている。ターゲットの、より脆弱な構成要素は、カプセル内部のＤＴ層と、〜１１０ｎｍ厚のカーボン・ベースのカプセル支持膜である。水素同位体は、他の材料に対し、高い親和性を有する。ＤＴ層が、予期通りにアブレータに付着すると、アブレータは、ＤＴ層に対して構造上の支持を与える。本願発明者等の解析によると、重水素の層と結合された、ＣＶＤ法で堆積されたダイヤモンド・アブレータ層は、完全には丸くない＜１μｍのカプセルの変形を生じることが示されている。これは、本願発明者等が予期した許容範囲内である。初期予応力の最少量の範囲内でカプセル形状に適合するように膜が成形され、加速力が膜の撓みに影響を与える卓越した力になる場合には、ＮＩＦターゲットの為にとられた、膜の撓み方程式に当てはめられた膜データを使用するカプセル支持膜の、現在までの解析は、６００ｇの加速率まで、膜は無傷のままであることを示唆する。

[0025]膜力及び撓みを減少させる他の手法は、カプセル支持膜を加速力の方向に向けることである。これは、円筒ホーラムの為に図５で図示されているが、この手法は、例えば図２に描写されているような他のホーラム構成に使用可能である。膜は、軸方向にも向けられたホーラム構造の仕切り線に固定されている。この場合、許容範囲の加速率は１０００ｇを超えることが予期される。本願発明者等の予期は以下の通り、すなわち、低温状態における候補材料に対する材料特性の測定は、薄膜の有限要素解析に結びつけられているが、噴出加速の静的かつ動的な力の両方に支持膜が耐えることを確認することである。

材料上の考慮事項

[0026]爆縮と、後のリサイクル及び／又は廃棄をたどるチャンバからのデブリの除去は、同様に、ターゲットの材料選択の為の設計に制約を加える。これは、本質的に、ターゲットの質量の大半を構成するホーラム材料に当てはまる。前述のように、ホーラムは、内部の高Ｚ層及び断熱構造支持材から成る。幾つかの実施で、誘導インジェクタ又は電磁飛翔経路操向部が噴出の為に使用されるなら、ホーラムは、導電性外部層も含む。

[0027]ホーラム材料の溶解温度は、９００Ｋの壁温より低く、固体堆積物は、核融合チャンバ壁に蓄積しないことが望ましい。そのような堆積物は、壁の熱的特性又は中性子特性を変える可能性があり、或いは、それらは、チャンバを通るレーザー伝播を減少させ、或いは、チャンバの中へのターゲットの飛行にさえ影響を与え得る固体デブリ雲を壁の近くに作り出す場合がある。高い蒸気圧を有する材料は、ポンプでチャンバの外に連続して吸い出し、簡単に排除することができる。

[0028]残留蒸気を通るレーザーの伝播に関して、ストークス・シフト・ラマン散乱が生じるレーザー周波数付近の吸収ラインが解析され、この影響が次のターゲットに達するレーザー光量に著しく影響を与えるかを決定する。鉛は、安価であり、低レベルの放射化製品を有し、延伸又はメッキにより簡単に製造できるので、魅力的な高Ｚホーラム材料である。鉛のような低放射線の放射化レベルの安価な材料は、低レベル廃棄物として廃棄可能であり、或いは、リサイクル費が低ければ、リサイクル可能である。材料は、放射化の為に廃棄物処分難題を提示するかもしれない。高Ｚ層のホーラムに対する費用、蒸気圧ベースのデブリ除去及び廃棄物処分の選択基準は、図６に要約されている。

製造上の考慮事項

[0029]製造費は、ターゲット材及び特定ターゲット・ジオメトリの選択の両方にとっての考慮事項の一つである。理想的には、選択された材料は、ターゲット全体の費用のうち小さな比率であることが好ましい。ターゲット費の大部分は、機械的及び化学的処理操作から生じる。低い生産費は、機械的処理についてはダイキャスト鋳造法やプレス加工のような従来の高スループットの製造技術から生じ、化学的処理、例えば、ＣＶＤ法及び電気鍍金法のバッチサイズの増加から生じる。本願発明者等の事前の費用解析は、ターゲット毎の費用が３０セント未満になり得ることを示唆する。事前の費用解析は、図７に図示され、図７は、電気の相対的な費用、反復率、ターゲット費の影響も図示する。

[0030]本願発明者等の推定によるとは、鉛製ホーラムの材料費とＣＶＤダイヤモンド製カプセル・アブレータ費がターゲット費のうち相対的に小さい部分であるが（〜１７％）、設備費は全体のターゲット費のうち相対的に大きな比率（〜４２％）である。これは、前提とされる大きなバッチ・サイズ（バッチ当たり〜４５，０００）を伴うにも拘わらず、１日当たり〜１．３百万個のカプセルを生産する為に多数のプラズマＣＶＤ被覆機が必要とされる結果である。

噴出追跡考慮事項

[0031]ターゲットの他の設計考慮事項は、ターゲットが、チャンバを通るターゲットの飛翔経路を追跡するために必要な性能を組み込み、設計された結合地点の約１００μｍ以内でレーザー駆動ビームと接続することである。インジェクタの発射口端部とチャンバ中心との間の距離は、ＤＴ層により容認可能な最大の中性子線束により設定される。ＤＴ層の温度は、中性子を伴う相互作用により、或いは、容認しがたい中性子の損傷を受けるかもしれないインジェクタ・システムの構成要素部品により、容認しがたく増加可能である。インジェクタとチャンバとの間に配置されたシャッタ付き中性子シールド・システムは、ターゲットへのガンマ放射線及び中性子放射線を減少させる。特定のインジェクタ機構及びターゲット追跡システムの説明の為に、"Fusion Target Injection andTracking"と題する、シリアル番号_________、_________に出願された譲渡済みアトーニー・ドケット番号第９１９２０−７９２７３２号、本発明の譲受人に譲渡された係属中の米国特許出願を参照。この出願の内容は、参考のため本願明細書に組み込まれる。

[0032]インジェクタの発射口とチャンバ中心との間の距離が短いほど、ターゲットは、核融合チャンバの中心に精度良く配置される。噴出精度は、インジェクタの寸法品質と振動緩和に依存する。本願発明者等の目的は、チャンバの中心においてターゲットの飛翔経路に対して垂直な±５００μｍの横方向の寸法以内にターゲットを配置することであり、これは、核融合チャンバの中心から２０ｍに配置された最終光学部品に対するレーザー・ポインティング・システムの予期された範囲の運動に等しい。追跡システムは、ターゲットがチャンバを横断するときターゲットの位置及び速度を測定する。このシステムは、ターゲットの外部形状により誘発される一組の交差するレーザー・ビームから成る。予期されていることは、ターゲットがチャンバの中心に関して約±５０μｍ以内で追跡可能であることである。ターゲットがチャンバの中心から約２５μｓ（２５０ｍ/ｓのターゲット速度に対して〜６ｍｍ）以内にあるとき、レーザーと同一の光学部品を使用する結合センサは、レーザーのポインティング方向に関してターゲットの位置を予期精度±１０μｍ以内で測定し、ターゲットが±１００μｍ以内で衝突するようにレーザーのポインティング方向を補正する。追跡システムにより決定されるターゲットの予期された位置及び速度の変更は、結合センサにより補正される。結合システムは、定められたパターン、例えば、環状パターン又は他の基準において、ターゲット反射レーザー光の正面と後方面に依存する。これは、結合センサがターゲットの位置を精度良く予測することを可能にする。

ターゲットの物理的特性

[0033]ターゲットの物理的設計は、本願明細書の参考の為に組み込まれる、Amendt, Dunne, Ho及びLindl氏による添付付加物Ａ「ＬＩＦＥ純核融合ターゲット設計：状況及び見通し」に詳細に検討されている。

[0034]図８は、前述されたように、カプセル及びホーラム製造のための製造プロセスを図示する概略図である。カプセル製作は、ＤＴ燃料を閉じ込める為のダイヤモンド製アブレータ殻の製作と共に始まる。このプロセスは、球殻上にＣＶＤ法により実行される。充填ホールは、カプセルに本質を提供し、ＣＨ１．２炭素ベースの重合体材料から成るナノフォームの導入を可能にする。ＤＴ燃料は、その後、カプセルの中に導入され、フォームの中に吸収される。プロセスの特質は、約３００Ｋで実行され、フォームとＤＴ充填は、処理の後部で、約１５−２０Ｋまで冷却される際にセルフレベリング、すなわち、カプセル壁の内側周りに一様に厚い層を形成する。いったんＤＴ蒸気相の充填処理が完了すると、カプセル壁内のホールは、例えば、重合体及び高密度炭素により、ふさがれる。フォーム層の形成は、フォームの分割量を殻の中に導入するステップ、重合処理中にスピン・コーティング又は誘電泳動又は他の方法によってカプセルの内側表面にゾルゲル層を形成するステップ、その後、溶媒基地を抽出するステップから成る。

[0035]図８の下の部分は、ホーラム製造プロセスを図示する。射出成形及びメッキ操作を使用し、バルクホーラム部品が準備される。（このプロセスは、同一プロセスを使用して製造される図２に描写されたホーラムとは対照的に、円筒型ホーラムに対するプロセスが概略的に図示されていることに留意されたい。）ホーラムは、鉛又は他の高Ｚ材料を使用して、ダイカスト、成形、スエージング加工されてもよい。このプロセスの第２ステップでは、赤外線シールド及びレーザー用入口ホールウィンドウがホーラム構成要素に付けられ、支持膜は、カプセルを支持する為にプリフォームされた凹みを有する。

[0036]次に、このプロセスの第３の製造ステップにおいて示されるように、ホーラム部品が共に組み立てられる。その後、プリフォームされたカプセル支持膜の中にカプセルが与えられ、配置される。その後、このプロセスの最終ステップで示されるように、同一の順番で同一のプロセス・ステップを使用して製造される他のホーラム（上半分）が与えられ、２つのホーラムの半分（上半分と下半分）がともに接合される。

[0037]前述は、核融合発電プラントに使用する為の間接駆動ターゲットの好ましい実施形態の説明である。以下の請求項の範囲から逸脱することなく、数多くの変形例がターゲット設計の為になされることに注意することは重要である。例えば、レーザー用入口ホールを覆うウィンドウ、ホーラム自体、その形状、その構成要素の為に、他の材料が代用されてもよい。

ＬＩＦＥ純核融合ターゲット設計：状況及び見通し
Peter Amendt, M.DUnne, D.D Ho and J.D. Lindl Lawrence Livermore National Laboratory, LivemoreCA 94551 USA

アブストラクト

２０３０年台中頃の時間枠における１ギガワット電力（GWe）のレーザー慣性核融合エネルギー（ＬＩＦＥ．２）発電プラントの実証において、予期される高利得核融合ターゲット性能に対する解析および放射線流体力学シミュレーションが提示される。必要なレーザー・エネルギー駆動装置は、０．３５１μｍ波長において２．４１ＭＪであり、１５Ｈｚの反復率で６４を超える核融合ターゲット利得は、経済的かつ商業的魅力の為の設計目標になっている。スケーリング則の解析は、ホーラム駆動型中心ホット・スポット点火に対して設計パラメータ空間をベンチ・マークでテストするために開発されてきた。一体型ホーラムのシミュレーション・セットは、模型製作の前提条件を検証し、国立点火施設における重要な短期的な物理的不確定性の実験的解決のための基礎を与えるために提示されている。

キーワード

慣性核融合エネルギー、ホーラム、国立点火施設、中心ホット・スポット点火、間接駆動、熱核利得

Ｉ．序文

国立点火施設（ＮＩＦ）は、２０１２年までに、中心ホット・スポット（ＣＨＳ）モードの点火に基づき、熱核燃焼を伝播する点火を実証する為に置かれている。この差し迫った見通しは、化石燃料技術を実質的に補う為に、２１世紀中頃までに、炭素を持たない、事実上の無制限のエネルギー源として、慣性核融合を進化させる、避けられないタイムラインを強調する。このため、集中的な努力は、ＮＩＦにおける成功にてこ入れし、２０２５年までに「ＬＩＦＥ．１」工学検証施設のプロトタイプ用基盤を与え、その後、２０３５年までに、１ギガワット電力で稼働する商業的に実現性がある"ＬＩＦＥ．２"の実証の発電プラントが続く。ＬＩＦＥ．２の為の現時点の設計目標は、０．３５１μｍ波長で１５Ｈｘの反復率で稼働する（高Ｚ放射線封入体又は「ホーラム」に入る）〜２．４１ＭＪのレーザー・エネルギーを融通し、核融合ターゲット収率１４７ＭＪを与えることである。

この設計目標を最初に達成するには、「０−ｄ」解析的利得モデルが必要であり、これが、パラメータ空間及びターゲット最適化の都合の良い調査を許容する。このステップの後、２次元的及び３次元的な放射線流体力学シミュレーションが続き、これらが、レーザー・ビームの移動、Ｘ線放射線の移動、原子物理学および熱核燃焼を合体させる。これらのシミュレーションは、チャンバのサバイバビリティ予想の入力の為、流体力学的な不安定増殖、ターゲット性能限界収益点、ホーラム内部のプラズマ変動により誘発されるレーザー散乱、点火カプセルから出現する危険スペクトラム（例えば、Ｘ線及びイオンの異方性、フルーエンス、分光）に対して磁化率を算定する為の基礎を形成する。シミュレーションは、「ポイント設計」原理体系のガイドラインに続き、これらが、実験的な検証に対して確立された基準を満たす概念の開発において、形式的に、はっきり定義された主要管理点を明示する。

この文献では、第ＩＩ章において、利得対レーザー・エネルギー・パラメータ空間を調査する為に、０−ｄ解析利得モデルを提示する。第ＩＩＩ章は、〜６４のＬＩＦＥ．２の閾値ターゲット利得を満足する為に、一体型ホーラムのシミュレーション状態と、レーザー・ホーラム結合効率における必要な改善に目を向ける。第ＩＶ章は、満足できる性能限界収益点の為にＬＩＦＥ．２の設計目標を十分に上回るように高度なホーラム設計を考慮する。第Ｖ章で要約する。

ＩＩ．解析的スケーリング則

ここでは、幾つかの解析的なスケーリング関係を開発し、候補のＣＨＳ ＬＩＦＥ．２のターゲットの為にターゲット設計ガイダンスを与えることを促進する。３ω３００電子ボルトの国立点火キャンペーン（ＮＩＣ）ＣＨアブレータ・ポイント設計の為の正規レーザー・エネルギーは、１．２ＭＪであり、１９ｎｓの持続期間を超えて送られる。カプセルは、１８６ｋＪを吸収し、１５．９ＭＪの収率を生み出す。ホーラム用ケース対カプセル半径比（ＣＣＲ）は、以下のように定義される。

ここで、Ａ_ｗは、ホーラム壁面積であり、Ａ_cap、すなわちカプセル面積は、２．７６であり、レーザー用入口ホール（ＬＥＨ）の比率は（半径に対して）５７％であり、カプセルの半径は、１１０８μｍである。エネルギー保存から、次のようになる。

ここで、ηは、（レーザー・エネルギーからＸ線への）ホーラム変換効率、ＰＬは、（ピーク）レーザー電力、ＴＲは、ホーラム（ピーク）放射線温度、αｗは、ホーラム壁のＸ線アルベド、Ａ_ＬＥＨは、２つのＬＥＨのうちの一つの面積、α_capは、カプセルのＸ線アルベドである。マーシャク波動解析から類似解決法を使用すると、以下のようになる。

ここで、τは、レーザー駆動パルスの（平頂等価物）ピーク電力部分であり、角括弧は、τにわたる時間平均値を示す。（１）式は、以下のように書き直せる。

ここで、ｆ_LEHは、（半径による）ＬＥＨ比率、Ｒ_Ｈは、（円筒状）ホーラムの半径、２ｚ_Ｈは、ホーラムの長さ、Ｒ_capは、初期カプセルの半径である。さらに、以下のピーク爆縮速度を導入することにより進化させる。

ここで、βは、フェルミ圧に対する所定密度における圧力の比であり、γ=R_cap/Δは、シェル・インフライト・アスペクト比（＝３０）であり、放射線温度は、１００電子ボルトの単位、すなわち、ｈeVで書かれている。

ここで、

は、吸収されたカプセル・エネルギーである。（２）式に（３ａ）（３ｂ）式を使用し、Ｅ_laser = P_Lτを定義すると、以下の式を得る。

Ｅ_laserは、Ｅ_capと共に、ほぼ直線状に拡大縮小するが、Ｔ_Ｒへの依存性はかなり弱い。カプセルが吸収したエネルギーは、放射線−流体力学的シミュレーション[2]に基づき、以下の式のように熱核収率Ｙと共に拡大縮小する。

放射線-流体力学シミュレーション[ 2 ]に基づく。残りのシェル質量の大半が燃料であると仮定すると、瞬時のピーク爆縮速度における燃料質量ｍ_ｆの量は、次式のように拡大縮小する。

大部分の残りのシェル質量が燃料内にあると仮定する。そのため、より多くの熱核収率が、以下の、保存された性能限界収益点の制限を前提として、一定のＥ_capにおける低い爆縮速度に対して可能になる。

一定の限界収益点において、利用可能な燃料質量の量は、現時点で、より好ましく、拡大縮小する。

この式は、Ｅ_capとの燃焼比率の僅かな増加を無視した後、（５）式の代わりに次式を与える。

所定Ｅ_capにおいて、限界収益点Ｍを伴う点火に要する最小限の放射線温度は、次式のように拡大縮小する。

ここで、指数の５．３１という係数は、以下の燃焼速度に伴う閾値点火（カプセルに吸収された）エネルギーに対するHerrmann氏等[4]のスケーリングから生じる。

（６）式及び（７）式を使用して（２）式のＥ_capとＴ_Ｒを消去すると、Ｙ関数としてのＥ_laserを得る。低いエネルギー終了点は、前述のように要約されてきたＮＩＣ ＣＨポイント設計に正規化される。低い駆動温度におけるホーラム効率の改善は、１次元のホーラムのシミュレーション研究に基づき、Suter氏等[5]により予測されており、都合良く、以下のようにパラメータで記載される。

Ｆｉｇ．１は、２つのシナリオ、すなわち、（１）一定の限界収益点[（６）式]において追加された燃料質量スケーリング、低いＴＲ[（８）式]における高いホーラム効率（上の曲線）、（２）追加された燃料スケーリング、但し、名目上のホーラム効率（下の曲線）の下で、予期されるターゲット利得G=Y/E_laser対Ｙ及びE_laserを示す。２つの曲線間の領域は、保存性の境界を表す下の曲線に伴う全体のホーラム効率における不確定性を反映する。

ＩＩＩ．ＮＩＣのようなホーラム・シミュレーション

Ｆｉｇ．１：レーザー・エネルギーの幾つかの数値に対する利得対収率スケーリング（点線）最上部（下の）青い曲線は、改善された（改善されない）ホーラム効率予測（Suter氏等[5]）赤く塗られた円形は、ＮＩＣのようなビームのジオメトリと共にE_cap=3.47 MJで統合された（円筒状）ホーラム対称性調整を示し、緑で塗られた円は、ＬＩＦＥ．２の設計ポイントE_laser=2.41 MJ、Y=147 MJ；緑の開いた円は、対称にされ、２次元の一体型ホーラム予想である。

Ｆｉｇ．１は、レーザーとホーラムの結合効率における仮定を前提として、所定のレーザー・エネルギーにアクセス可能なターゲット利得において第１の推定値を与える。次のステップは、一体型ホーラムのシミュレーションを実施することであり、これらのシミュレーションは、レーザー・エネルギー伝播及び吸収の物理的プロセス、レーザー・エネルギーのＸ線への変換、放射線の移動、原子物理学、熱の移動及び熱核燃焼を合体させる。一体型の、２次元ホーラム・シミュレーションによりもたらされる重要な要素は、準対称性カプセルの爆縮に対する要件である。このため、ホーラムの長さは、時間積分されたＸ線束の対称性をホーラム・ターゲット中心付近に与えるように調整され、内部（ホーラム対称軸に対して２３，３０°）のレーザー円錐体と外部（４４，５０°）のレーザー円錐体との間の相対レーザー電力も、十分な時間依存性駆動対称性を与えるように時間的に調整されている[6]。Ｆｉｇ．１は、ほぼ対称なカプセルの爆縮を生じる初期の第１世代ＬＩＦＥ調整へと推論されたターゲット・ジオメトリとＮＩＣのようなレーザーにおけるホーラム調整の結果を示す。シミュレーションに使用されたカプセルは、〜７７０ｋＪのＸ線を吸収する高密度の炭素アブレータであり、〜２５０電子ボルト・ピーク・ホーラム温度で駆動され、ＮＩＣ ＣＨカプセル調整のような類似の性能限界収益点を有するように設計され、３０％に近い燃焼比率を有する。ＨＤＣアブレータは、ターゲット噴出応力および後の苛酷なターゲット・チャンバ環境からの後の脅威に耐える為の高い材料強度という追加の利点を有する。ＬＥＨ比率は、ＮＩＣのポイント設計に適合された５７％というＬＥＨ比率でなくて、（半径による）５０％[Ｆｉｇ．２を参照]である。要求されるレーザー・エネルギーと、結果として生じるターゲット利得は、僅かに限界収益的にＬＩＦＥ核融合エンジンとして魅力的であり、最近の研究は、より経済的に実現性があるＬＩＦＥ．２のポイント設計に焦点が合わせられてきた[7]。Ｆｉｇ．１が示すのは、この設計ポイントがホーラム結合に対する上部（高効率の）曲線上に直接に位置すること、しかし、この設計ポイントは、最初のＮＩＣのような調整にわたり〜１１％の結合効率の単なる控えめな改善を必要とすることである。Ｆｉｇ．１は、数値によって対称にされた（Ｘ線束）ホーラム調整の状態を示し、これは、性能において、ＬＩＦＥ．２の設計目標に近い。これらのシミュレーションは、カプセルに結合効率の程度を最大にするため、Ａｕ／Ｕから形成されたＮＩＣのようなホーラムを使用している。ＬＩＦＥ．２のホーラムは、費用競争に対し、はるかに豊富な材料（例えば、Ｐｂ）を必要とする。ＮＩＣのようなホーラムと、純粋なＰｂに基づくＬＩＦＥ．２ホーラムとの間で効率を直接比較するシミュレーションは、同調において１５％だけ多くのレーザー・エネルギーを必要とし、カプセルにＸ線エネルギーを結合するのに約１５％の不足分を示す。この不足分をホーラム壁合金の費用効率的な使用で相殺する方法は、後述するように、効率を改善する為に積極的な考慮事項の下で、ホーラム・ジオメトリを変更することである。

Ｆｉｇ．２：３ωレーザー・エネルギーの３．４５ＭＪを必要とし、利得〜６７を与え；ＬＥＨ比率が５０％であるＮＩＣのようなホーラム対称性調整の概略図

ＩＶ．高度なホーラム概念

ＣＨＳ点火の為に、ＮＩＣのようなホーラム・ジオメトリは、限界過ぎるため、ＬＩＦＥ．２に対し経済的に擁護できる候補として更に追求することはできない。ターゲット設計の改良と、来たるＮＩＦの実験的結果は、この状態を都合良く変えるかもしれないが、数多くの方法によるホーラム結合効率を著しく増加する為に捧げられる労力は、暫定措置においては賢明な方針である。

予期される駆動不足分をＰｂで解決する為に、更に、プラズマ始動型レーザー散乱、ターゲット製作及びレーザー結合の誤差、流体力学（インターフェース）的不安定性からの予期される収率劣化に対して十分な性能限界利益を与える為に、ＮＩＣのようなホーラム構成に対するジオメトリの改良が求められる。ホーラム設計において、３種類の利益：（１）減じられた壁エネルギー損失に対するラグビー形状ホーラム；（２）高Ｚ（損失性）ＬＥＨのカプセル視界を遮断する為にホーラム対称軸上の軸方向シールド；（３）より高いＥ_capの為の減じられたＣＣＲ；が想起される。ラグビー形状ホーラムの使用は、５０％ＬＥＨの場合に対して約３０％だけホーラム壁表面積を減少させ、減じられたレーザー・エネルギーにおいて１５−２０％の可能な節約に転換させる。ラグビー概念は、これまで、判明中の実験的証拠を享受し、真空ホーラムの場合に対しカプセルにおいて、最近、〜２０％の線束改良が実証された[9]。軸方向シールドは、放射線−流体力学的シミュレーションによると、カプセルにおいて１０−１５％だけ線束を増加させる。対称性及び真空ホーラムにおける軸方向ディスクの影響は、ノバ・レーザーにおける実験により確証された[10]。ホーラム半径に対する５％のレーザー・カプセルは、線束対称性制御が不利に影響を与えない場合には、Ｅ_capにおいて別の〜１５％を与えることができる。これらの３つの改良は、ともに、理論上は、４０〜５５％となり、簡単にＰｂホーラムの使用からの不足分を解決し、ＬＩＦＥ．２にとって必要な性能限界利益を与える。しかしながら、短期にわたりＮＩＦにおいて、これらの設計要素を個別かつ総合的に検証することは、それらの一体的なＬＩＦＥ．２の為の使用の物理的限界を定めるのに役立つ。差し迫った設計目標は、２０−３０％の利得劣化に対して計画を立てることであり、８０を超えるシミュレーション済み利得を要する。最終的に、次の数年にわたりＮＩＦにおいて、ＬＩＦＥ関連ホーラムの検証は、ＬＩＦＥ．２の為に許容可能な性能限界利益を洗練し、ターゲット製作、噴出応力に対する丈夫さ、レーザー結合誤差の為の要件をきつく束縛する。

Ｖ．概要

短期的な点火実験の為にＮＩＦを利用できることが、ＬＩＦＥ．２のような慣性核融合エネルギーの商業的戦略を深刻に追求する為に決定的かつ時宜にかなった合理性を与えている。未解決の物理的課題及び疑問の多くは、ＮＩＦにおける直接検証を受け入れられ、中間及び暫定の検証施設の必要性に前もって対処する。

Ｆｉｇ．２：ＮＩＣのようなＬＩＦＥポイント設計のラグビー形状ホーラム変形例、Ｆｉｇ．１を参照。必要なレーザー・エネルギーは、＜３．２ＭＪであり、ターゲット利得は〜７７である。

特に、多くの点でＬＩＦＥ．２の発電プラントの為に提案された核融合エンジンは、ＮＩＦにおいて、性能限界利益とターゲット製造許容範囲を特定する為に、広く綿密に調べられている。

費用効果的なＬＩＦＥ．２の発電プラント設計の基礎をなす核融合エンジン駆動装置の為の一般的ガイドラインが紹介されてきた。（ホーラムに送られる）２．４１ＭＪの入力エネルギー駆動装置における最小限ターゲット利得〜６４は、作業上の仮定である。ラグビー形状、軸方向のディスク、減じられたＣＣＲを使用する高度なホーラム概念は、この目標を超え、ターゲットの不完全性、レーザー散乱、レーザーによる非理想的なターゲット結合を劣化させる性能に対する著しい利益限界を許容する。更なる調査が、過渡期核融合ターゲットにより被られるチャンバ傷害に対する頑丈さを備えた高利得（静的な）ターゲット性能に対する要件を最適にバランスさせる為に計画され、は、

ＶＩ．承認

この作業は、契約第ＤＥ-AC52-07NA27344号に基づき、ローレンス・リバモア国立研究所により、米国エネルギー省の援助の下に実施された。

ＶＩＩ．参考文献

[1] J.D. Lindl etal., phys. Plasmas 11 (2), 339 (2004)
[2] J.D. Lindl,Inertial Confinement Fusion (Springer-Verlag, NY, 1998)
[3]D.S. Clark,S.W. Haan and J.D. Salmonson Phys. Plasmas 15, 056305 (2008)
[4] M.C. Herrmann,M. Tabak and J.D. Lindl, Nucl, Fusion 4199(2001)
[5] L.J. SUter, S.Haan and M. Herrmann, Bull. Am. Phys. Soc. 50(8), 187 (2005)
[6] LIFE.1及びLIFE.2は、ＮＩＦ内部円錐体及び外部円錐体の各々を備える角度（ターゲット・チャンバの垂直軸に対して２６．９°及び４７．２５°）にわたる平均値に基づく側部毎の角度の２つの円錐体の単純な円錐体幾何学的形状を利用する。
[7] M. Dunne etal., "Timely delivery of Laser Inertial FUsion Energy (LIFE)"、これらの手順；T. Anklam, A. Simon, W. Meier, and S.Powers,"The Case for Early Commercialization of Fusion Energy"、これらの手順
[8] R. Miles etal., "Challenges Surrounding the Injection and Arrival of Targets at LIFETarget Chamber Center"、これらの手順
[9] F. Philippe etal., Hphs. Rev. Lett. 104, 035004 (2010); H.F. Robey et al., Phys. Plasma 17,056313 (2010)
[10] P. Amendt,T.J. Murphy and S. P. Hatchett, Phys. Plasmas 3, 4166 (1996); P. Amendt, S.G.Glendining, B. Hammel, O.O. Landen and I.J. Suter, Phys. Reg. Lett. 77, 3815(1996); D.A. Callahan, P. Amendt, E.L. Dewald, et al., Phys. Plasmas 13, 156307(2006)

２０ 材料
３０ 絶縁壁
４０ カプセル
５０ 赤外線リフレクタ
６０，７０ シールド
８０ 内部
９０ グラフェン組成ウィンドウ
１００ ホーラム

Claims (18)

1. 核融合燃焼を含む中心位置でホーラムがカプセルを取り囲む、間接駆動慣性閉じ込め核融合発電プラントにおいて、前記ホーラムは、
   ２つの端部領域と、前記２つの端部領域間の中間領域とを有する外部表面であって、前記中間領域は、中心軸の周りに第１直径のほぼ対称の円筒構成を有し、前記端部領域の各々は、前記第１直径から、より小さな、前記ホーラム両端の第２直径までテーパが付けられている、前記外部表面と、
   前記ホーラムの前記端部領域の各々におけるレーザー・ビーム用入口ホールと、
   中にガスを封入する為の前記ホーラムの前記端部領域の各々における覆い部と、
   前記中心軸に対して楕円形状を有する内部壁により画成される中空内部と、
   を備える、ホーラム。
2. 前記端部領域の各々は、前記中間領域と前記レーザー・ビーム用入口ホールとの間に延びる円錐台形状の突起を備える、請求項１に記載のホーラム。
3. 前記レーザー用入口ホールの各々にわたる覆い部は、実質的に透明である、請求項２に記載のホーラム。
4. 前記中空内部は、前記ホーラムの各端部における覆い部の間に閉じ込められる不活性ガスを含む、請求項２に記載のホーラム。
5. 前記不活性ガスは、ヘリウムを含む、請求項４に記載のホーラム。
6. 前記内部壁に配置されたライニング材を更に備える、請求項１に記載のホーラム。
7. 前記ライニング材は、内部壁より高い密度の材料を備える、請求項６に記載のホーラム。
8. ２つの赤外線リフレクタを更に備え、一方のリフレクタは、前記ホーラムの一端における覆い部と前記ホーラムの前記中心軸に沿った中間点との間に配置され、前記他方のリフレクタは、前記ホーラムの反対側の端部における覆い部と前記ホーラムの前記中心軸に沿った中間点との間に配置されている、請求項６に記載のホーラム。
9. 前記２つの赤外線リフレクタの各々に配置されたシールドを更に備える、請求項８に記載のホーラム。
10. 前記シールドの各々は、ライニング材と同一の材料を備える、請求項６に記載のホーラム。
11. 前記シールドの各々は、前記ホーラムの前記中心軸に中心が整列されている反射性ディスクを備える、請求項９に記載のホーラム。
12. 前記中心軸に沿った中心点の近くに前記中心軸に沿ってカプセルを支持する為に、前記中心軸に対して直角に配置された膜を更に備える、請求項１に記載のホーラム。
13. 前記膜は、炭素ベースの材料を備える、請求項１２に記載のホーラム。
14. 前記炭素ベースの材料は、ポリイミド、グラフェン、グラフェン強化ポリマー、ダイヤモンドライク・カーボン、ダイヤモンドのうち、少なくとも一つを備える、請求項１３に記載のホーラム。
15. 前記中心軸に沿って前記カプセルを支持する為に、前記中心軸に沿って配置された膜を更に備える、請求項１に記載のホーラム。
16. 前記ライニング材は、鉛のような高Ｚ材料を備える、請求項６に記載のホーラム。
17. 前記端部領域の各々における覆い部は、炭素ベースの材料を備える、請求項１に記載のホーラム。
18. 前記炭素ベースの材料は、ポリイミド、グラフェン、グラフェン強化ポリマー、ダイヤモンドライク・カーボン、ダイヤモンドのうち、少なくとも一つを備える、請求項１７に記載のホーラム。

Images