JP5846578B2

JP5846578B2 - 核融合ターゲット

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Publication number: JP5846578B2
Application number: JP2012015918A
Authority: JP
Inventors: 匡且村上; 威士渡利; 隆史栗田; 仲弘佐藤; 利幸川嶋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK; Osaka University NUC
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK; Osaka University NUC
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2032-01-27
Also published as: JP2013156098A

Description

本発明は、核融合ターゲットに関する。

高圧・高密度状態は、惑星物理の研究、新物質創成及び新エネルギー生成など物理学分野の種々の研究に資する。高密度状態は、衝撃波によって所定の媒体を圧縮し高圧状態を形成することによって生成され得る。例えば、非特許文献１に記載されているような核融合技術では、核融合燃料にエネルギー線を照射して圧縮して高圧・高密度状態にすることによって核融合反応を引き起こす。

TANAKAKazuo et al., "Fast Ignitor Research with Use of Ultra-Intense LaserSystem", プラズマ・核融合学会誌第７５巻第４号, p.452-458 (1999)

近年、基礎物理の解明やエネルギー生成のために、媒体を従来より圧縮する技術が求められていた。

一態様に係る圧縮状態生成用ターゲットは、所定面に加えられた衝撃により生成された衝撃波が伝搬される衝撃波伝搬媒体と、衝撃波伝搬媒体が内部に充填される充填領域を形成する充填領域形成部と、を備える。上記充填領域は、所定面への衝撃の付与方向に向けて先細りした先細り部を有し、先細り部は、内側に向けて湾曲した壁面を有する。

この構成では、充填領域形成部に充填された衝撃波伝搬媒体の所定面に衝撃が付与されると、衝撃波伝搬媒体内を衝撃波が伝搬する。衝撃波伝搬媒体が充填される充填領域は、先細り部を有しているので、衝撃波は収束する。先細り部は、内側に向けて湾曲した壁面を有することから、衝撃波伝搬媒体中を伝搬する衝撃波が通過する面の面積は急激に減少するので、衝撃波伝搬媒体が衝撃波によってより圧縮される。その結果、高圧・高密度状態が達成され得る。

上記先細り部の断面において、上記壁面は、先細り部における最小幅の位置を基点とし、基点から所定面側に向けて延ばした軸線上における基点からの位置ｕでの壁面までの距離をｖとしたとき、ｖが、
ｖ＝ｃ_０＋ｃ_１ｕ^{（ｎ−１）／２}
（ただし、ｎは３より大きい数、ｃ_０及びｃ_１は定数）、
を満たす形状であることが好ましい。

このような形状であることによって、より高い圧力・密度状態が達成され得る
媒体充填部の形状の例は、ラッパ状である。

上記充填領域形成部は、第１の壁部と、第１の壁部に対して対向して配置される第２の壁部とを有し得る。この場合、第１の壁部と第２の壁部との間が充填領域であり、第１及び第２の壁部における内壁面は、互いの方向に向けて湾曲しており、充填領域に充填された衝撃波伝搬媒体の側面が所定面であり、充填領域のうち所定面から第１及び第２の壁部の内壁面の最近接部までの領域を規定する領域が先細り部である。

本発明の一側面は、核融合燃料に対してエネルギー線を照射することによって核融合反応を点火させるために用いられる核融合ターゲットに係る。この核融合ターゲットは、核融合の点火部となる第１の燃料部と、第１の燃料部の外側に離して配置される第２の燃料部と、第２の燃料部の外周上に設けられるアブレータ部と、第１及び第２の燃料部並びにアブレータ部を収容しており、開放端部を有する収容部と、を備える。上記収容部は、開放端部側と反対側に向けて先細りしており、開放端部側からアブレータ部、第２の燃料部及び第１の燃料部が配置されており、第１の燃料部は、収容部において、開放端部と反対側の端部側に充填されており、収容部のうち、第１の燃料部が充填されている領域の壁面は、内側に向けて湾曲している。

上記構成では、アブレータ部にエネルギー線が照射されると、アブレータ部がアブレーションをおこす。それによって、第２の燃料部が、第１の燃料部に向けて加速され、第１の燃料部に衝突する。第１の燃料部内には、第２の燃料部の衝撃によって、衝撃波が生じる。この衝撃波は、収容部の先細した端部に向けて収束しながら伝搬する。収容部のうち、第１の燃料部が充填されている領域の壁面は、内側に向けて湾曲していることから、第１の燃料部を伝搬する衝撃波が通過する面の面積は急激に減少する。その結果、第１の燃料部が衝撃波によってより圧縮される。その結果、高圧・高密度状態が達成され、核融合の点火が生じ得る。

本発明によれば、媒体を従来より圧縮する技術を提供できる。

一実施形態に係る圧縮状態生成用ターゲットの斜視図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。充填領域の断面を模式的に示す図面である。ｎ＝９の場合について、衝撃波の軌跡と、衝撃波による衝撃波伝搬媒体の素片の軌跡を示す図面である。ｎ＝９の場合について、衝撃波伝搬媒体の密度比及び圧力比の変化を示す図面である。ｎ＝１の場合の衝撃波の軌跡と、衝撃波による衝撃波伝搬媒体の素片の軌跡を示す図面である。ｎ＝１の場合の衝撃波伝搬媒体の密度比及び圧力比の変化を示す図面である。ｎ＝３の場合の衝撃波の軌跡と、衝撃波による衝撃波伝搬媒体の素片の軌跡を示す。ｎ＝３の場合の衝撃波伝搬媒体の密度比及び圧力比の変化を示す図面である。衝撃波による圧縮状態のシミュレーション結果を示す図面である。核融合ターゲットの一実施形態の概略構成を断面図である。一実施形態に係る圧縮状態生成用ターゲットによる高圧状態及び高密度状態の観測のための実験系を説明するための図面である。他の実施形態に係る圧縮状態生成用ターゲットの概略構成を示す斜視図である。図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った断面図である。（ａ）は、図１３に示した圧縮状態生成用ターゲットの平面図である。（ｂ）は、図１３に示した圧縮状態生成用ターゲットの側面図である。更に他の実施形態に係る圧縮状態生成用ターゲットの概略構成を示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

（第１の実施形態）
図１は、一実施形態に係る圧縮状態生成用ターゲット１Ａの斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。

図１及び図２に示した圧縮状態生成用ターゲット１Ａ（以下、単にターゲット１Ａと称す）は、ターゲット１Ａに加えられた衝撃によって生じる衝撃波によって高圧・高密度を生成するための高圧・高密度生成用ターゲットである。特に高圧が期待されるのはレーザにより衝撃波が駆動された場合であり、このときの高圧とは１００万気圧以上を意味し、高密度とは、１０ｇ/ｃｍ^３以上を意味する。

ターゲット１Ａは、衝撃が加えられると共に、その衝撃によって生じた衝撃波を伝搬しながら衝撃波によって圧縮される衝撃波伝搬媒体１０を有する。このように衝撃波によって衝撃波伝搬媒体１０が圧縮されるので、衝撃波伝搬媒体１０は圧縮媒体であって、ターゲット１Ａは圧縮状態生成装置である。衝撃波伝搬媒体１０は、衝撃波が生じ、その衝撃波が伝搬できれば特に限定されない。衝撃波伝搬媒体１０の材料は、ターゲット１Ａの使用目的によって決定され得る。例えば、衝撃波伝搬媒体１０の例は、ポリスチレン、核融合燃料としての重水素（Ｄ）及び三重水素（Ｔ）の混合燃料（以下、ＤＴ燃料とも称す）、及びクォーツを含む。衝撃波伝搬媒体１０は一つの物質から構成されていてもよいし、主媒体の外面に他の物質からなる膜が少なくとも一層積層されていてもよい。

衝撃波伝搬媒体１０は、ラッパ状の充填領域形成部２０内に充填されている。充填領域形成部２０は、開放端である第１の端部２０ａ側から第２の端部２０ｂ側に向けて径が縮小している中空の先細り形状を有する。そのため、充填領域形成部２０において、衝撃波伝搬媒体１０が充填される充填領域３０は、周壁部３１で構成される先細り部である。この構成では、充填領域形成部２０では第１の端部２０ａは、径が最小（すなわち、幅が最小）である最小径部である。図１に示した形態では、第１の端部２０ａは閉じているので、充填領域形成部２０の最小径部での径は実質的に０である。

充填領域形成部２０の材質は、衝撃波及び衝撃波による衝撃波伝搬媒体１０に耐えられるように、衝撃波伝搬媒体１０より重い物質から構成されていればよい。例えば、充填領域形成部２０を構成する物質の例は、金及びアルミニウム等といった比較的重い金属（中〜重金属）である。

充填領域形成部２０において、充填領域３０を規定する周壁部３１は、充填領域形成部２０の内側に向けて湾曲している。すなわち、周壁部３１の内壁面３１ａは、図２に例示するように、充填領域形成部２０の内側に向けて膨らんだ面である。内壁面３１ａの形状についてより具体的に説明する。

充填領域形成部２０の中心線Ｃ１を含む断面、すなわち、例えば、図２に示すような図１のＩＩ―ＩＩ線の断面において、最小径部である第１の端部２０ａを基点として、充填領域形成部２０の中心線Ｃ１上の任意の点ｕでの中心線Ｃ１から内壁面３１ａまでの距離をｖとしたとき、内壁面３１ａは、ｖが式（１）で表される形状を有する。
ｖ＝ｃｕ^{（ｎ−１）／２}・・・（１）
式（１）において、ｃは定数であり、ｎは３より大きい数である。

図１及び図２に示した形態では、第１の端部２０ａが閉じているが、第１の端部２０ａは、ターゲット１Ａを製造する観点及びターゲット１Ａの使用目的によっては、第１の端部２０ａは有限の径を有してもよい。このような形態では、式（１）の代わりに、内壁面３１ａの形状は、式（２）で表される。
ｖ＝ｃ_０＋ｃ_１ｕ^{（ｎ−１）／２}・・・（２）
式（２）において、ｃ_０，ｃ_１は定数である。ｎはいわゆる次元数であり、３より大きい数であることは式（１）の場合と同様である。

ここでは、中心線Ｃ１からの距離ｖを利用して内壁面３１ａの形状を説明したが、図３に示すように、中心線Ｃ１をｘ軸とし、中心線Ｃ１上において第１の端部２０ａの位置を原点として、ｘｙ座標系を設定したとき、内壁面３１ａは、式（３）に示す曲線ｙで表される。
ｙ＝ｃ_０＋ｃ_１ｘ^{（ｎ−１）／２}・・・（３）

図３は、充填領域の断面を模式的に示す図面である。図３では、２次元的に内壁面３１ａを曲線として示しているが、３次元的な内壁面３１ａの形状は、曲線ｙをｘ軸周りに回転させた面に対応する。そのため、図３におけるｘｙ座標系において、ｙが負の領域においても内壁面３１ａを曲線ｙで便宜的に表している。

充填領域形成部２０の大きさの例は、中心線Ｃ１方向の長さが１００μｍ〜１５０μｍであり、第１の端部２０ａ近傍の開き角θは、５°〜２０°程度である。ｃ_０は実質的に０が好ましいが、例示したような大きさを充填領域形成部２０が有する場合、ｃ_０は５μｍ〜２０μｍ程度であってよい。式（１）におけるｃと、式（２）及び式（３）におけるｃ_１は、充填領域３０の径（或いは幅）を規定することになるので、充填領域形成部２０の大きさを考慮して適宜設定されていればよい。

図３を利用して、衝撃波伝搬媒体１０の好適な充填状態について更に説明する。

上記内壁面３１ａを有する充填領域形成部２０に衝撃波伝搬媒体１０を充填する際、衝撃波を第１の端部２０ａ側で収束させる観点から、衝撃波伝搬媒体１０のうち衝撃が加えられる衝撃面１０ａは、外向きに湾曲していることが好ましい。この際、衝撃面１０ａは、図３に示した断面形状におけるｘｙ座標系を採用して説明すると、下記式（４）で示される形状を有することが好ましい。
ｘ^２＋｛（ｎ−１）／２｝ｙ^２＝ｒ^２・・・（４）
式（４）において、ｒは点（ｘ，ｙ）で規定される位置の原点からの距離である。

式（１）〜式（４）において、ｎは前述したように３より大きい数である。このｎによって充填領域形成部２０の形状、すなわち、ターゲット１Ａの形状が規定される。よって、ｎは、充填領域形成部２０の形状を規定するパラメータでもある。

本実施形態では、ｎは３より大きい数であるが、参考のためにｎ＝１〜３の場合の充填領域形成部の幾何学的形状について説明する。すなわち、ｎ＝１の場合、数学的には、充填領域形成部は一対の平板に対応し、ターゲットは、一対の平板での間に衝撃波伝搬媒体が充填された形態に対応する。ｎ＝２の場合、数学的には、充填領域形成部は円筒に対応し、ターゲットは、円筒内に衝撃波伝搬媒体が充填された形態に対応する。ｎ＝３の場合、数学的には、充填領域形成部は球に対応し、ターゲットは、球内に衝撃波伝搬媒体が充填された形態に対応する。

上記ターゲット１Ａは、例えば、充填領域形成部２０を製造した後、充填領域形成部２０内に衝撃波伝搬媒体１０を充填することで製造され得る。充填領域形成部２０は、例えば、レーザ加工などを利用して充填領域形成部２０の型（例えば、マスク）を形成し、その型を利用して製造し得る。ここでは、ターゲット１Ａの製造方法の一例を示したが、ターゲット１Ａの製造方法は、上記方法に限定されない。

ターゲット１Ａを利用して高圧及び高密度を生成する場合、図２の白抜き矢印で示すように、衝撃面１０ａに衝撃を付与する。衝撃を印加するための衝撃源は、レーザ光、電磁波等で加速された電子ビーム、又は、他の飛翔体でもよい。与える衝撃の程度は、ターゲット１Ａの使用目的に応じて設定すればよいが、例えば、核融合目的であれば、投入レーザエネルギーは１００ｋJ〜１ＭＪ、衝撃波を駆動するレーザ強度は１０^１４〜１０^１６Ｗ／ｃｍ^２であることが予測される。

衝撃面１０ａに衝撃が加えられることによって生じた衝撃波は、衝撃波伝搬媒体１０内を伝搬する。衝撃波伝搬媒体１０は、衝撃面１０ａへ衝撃が加えられる方向（図２の白抜き矢印の方向）に向けて細りした充填領域３０内に充填されているので、充填領域３０と同様に先細りした形状を呈する。従って、衝撃波伝搬媒体１０内を伝搬する衝撃波は、図２の破線で示すように、衝撃面１０ａ側から第１の端部２０ａ側に向けて収束する。第１の端部２０ａに達した収束衝撃波は、第１の端部２０ａで反射する。

充填領域３０を形成する内壁面３１ａは式（３）（又は式（１）若しくは式（２））で規定される形状を有することから、充填領域形成部２０の径は第１の端部２０ａ側に向けて急速に減少する。従って、第１の端部２０ａを基点として中心線Ｃ１上のある位置での収束衝撃波が通過する面の面積も急激に減少する。その結果、衝撃波は、充填領域形成部２０の内壁面が湾曲していない場合（すなわち、充填領域形成部が三角錐状のような場合）に比べて、衝撃波伝搬媒体１０を強く圧縮する。そして、収束衝撃波が第１の端部２０ａに達した後は、前述のように反射した衝撃波も生じるので、収束衝撃波と反射衝撃波とによって衝撃波伝搬媒体１０を圧縮する。その結果、ターゲット１Ａにおいて、高圧及び高密度が実現され得る。

図４は、ｎ＝９の場合について、衝撃波の軌跡と、衝撃波による衝撃波伝搬媒体の素片の軌跡を示す図面である。図４中の実線は、衝撃波の軌跡を示し、破線は、衝撃波伝搬媒体の素片の軌跡を示している。図５は、ｎ＝９の場合について、衝撃波伝搬媒体の密度比（ρ_ｍａｘ／ρ_０）及び圧力比（Ｐ_ｍａｘ／Ｐ_１）の変化を示す図面である。図５中の実線は、密度比を示しており、破線は、圧力比を示している。密度比であるρ_ｍａｘ／ρ_０において、ρ_ｍａｘは観測する流体素片における密度（図４における破線部に対応）であり、ρ_０は、規格された時間ｔ＝−１以前の非圧縮状態における初期密度である。圧力比であるＰ_ｍａｘ／Ｐ_１において、Ｐ_ｍａｘは観測する流体素片における圧力（図４における破線部に対応）であり、Ｐ_１は、入射衝撃波による圧力（規格された時間ｔ＝−１における注目する流体素片の圧力）である。図４及び図５に示した結果は、図３に示した形状（ただし、ｃ_０＝０）をモデルとして流体基礎方程式に基づいた理論的な計算結果である。図４の縦軸は、原点（第１の端部の位置）からの距離であり、横軸は、時間である。横軸は、原点に衝撃波が到達した時間を０とし、着目する流体素片（破線部）に衝撃波が入射した時刻を−１とした。距離及び時間は、後述する他の形状の場合と比較するための規格化した値である。

比較のために、図６にｎ＝１の場合の衝撃波の軌跡と、衝撃波による衝撃波伝搬媒体の素片の軌跡を示し、図７にｎ＝１の場合の衝撃波伝搬媒体の密度比（ρ_ｍａｘ／ρ_０）及び圧力比（Ｐ_ｍａｘ／Ｐ_１）の変化を示す。図６及び図７の縦軸及び横軸は図４及び図５の場合と同様である。ただし、ｎ＝１の場合、平板形状であるため、図３の原点に対応する位置を衝撃波が入射する面と反対側の面とした。

同様に、比較のために、図８にｎ＝３の場合の衝撃波の軌跡と、衝撃波による衝撃波伝搬媒体の素片の軌跡を示し、図９にｎ＝３の場合の衝撃波伝搬媒体の密度比（ρ_ｍａｘ／ρ_０）及び圧力比（Ｐ_ｍａｘ／Ｐ_１）の変化を示す。図８及び図９の縦軸及び横軸は図４及び図５の場合と同様である。ｎ＝３の場合、ターゲットの形状は球であり、衝撃波は球の中心に向かう。この場合、衝撃波の伝搬は、数学的には球の中心を頂点とした三角錐に衝撃波伝搬媒体が充填されている場合に対応するので、計算は、図３に示したモデルにおいて、式（３）においてｎ＝３とした場合を仮定して行った。

図４、図６及び図８に示されるように、衝撃波は、衝撃波が入射される側と反対側にいったときに、前述のように反射する。図４，図６及び図８の比較から理解されるように、ｎが３より大きいｎ＝９の場合、理論的には、衝撃波の収束点（図３の原点或いは第１の端部２０ａ）に向けて衝撃波は加速される。更に、図５，図７及び図９の比較から理解されるように、ｎが３より大きいｎ＝９の場合、従来のような平板形状及び球形状のターゲットの場合より、高い密度及び圧力を実現出来うる。

更に、式（１）、式（２）又は式（３）においてｎが３より大きい数であることによって、高圧及び高密度が実現できる点についてシミュレーション結果を参照して説明する。

シミュレーションでは、輻射流体コードを用いて行った。輻射流体コードとしては、１次元の流体数値計算コードを用いた。

図１０は、シミュレーション結果を示す図面である。図１０の横軸は、次元数ｎであり、式（１）におけるｎに対応する。図１０の縦軸は、圧力については増幅率に対応し、密度については圧縮率に対応する。図１０の横軸及び縦軸は、対数で表示している。

図１０に示すように、ｎ＝１，３，５，７，８，９の場合についてシミュレーションを行った。図１０中の実線は、衝撃波伝搬媒体１０の比熱比が５／３の場合のシミュレーション結果であり、図１０中の一点鎖線は、衝撃波伝搬媒体１０の比熱比が７／５の場合のシミュレーション結果である。図１０中の○は、圧力の最大増幅率を示している。圧力の増幅率は、図５、図７、及び図９等に示される時間発展をする流体素片の圧力比の最大値として定義される（例えば、図５（ｎ＝９）の破線の最大値としてｔ＝０．４付近で最大値６５が達成されており、これが図１０のγ＝５／３に対応する曲線上のｎ＝９地点に示された白丸値に等しい）。図１０中の●は、最大の密度圧縮率を示しており、上記の圧力に対する説明と同様に、図５、図７及ぶ図９等に示される時間発展する流体素片の密度／初期密度の最大値情報を抽出しプロットしたものである。

図１０に示すように、比熱比が５／３及び７／５のいずれの場合においても、ｎ＝３までの形状に対して、ｎが３より大きい形状では、圧力及び密度のいずれにおいてもｎ＝１，３の場合より高い増幅率及び圧縮率を実現できている。特に比熱比が７／５の場合については、比熱比が５／３の場合より圧力及び密度のいずれにおいてもより高い増幅率及び圧縮率を実現可能であることが理解され得る。前述したように、ｎ＝１は幾何学的に平板状のターゲットに対応し、ｎ＝３は球状のターゲットに対応する。従来、高圧及び高密度の実現のために、ターゲットとしては、ｎ＝１〜３のものが使用されていた（例えば、核融合では球状のターゲット）。従って、ターゲット１Ａでは、従来より高圧及び高密度が実現可能である。

シミュレーションは、衝撃波伝搬媒体１０の比熱比が５／３及び７／５である場合について行ったが、比熱比の例は５／３及び７／５に限定されない。また、ターゲット１Ａによって従来の平板形状や球形状より高い圧力状態及び高い密度状態が達成されるので、ターゲット１Ａは、例えば、物質創成などの産業応用、Warm-dense-matter領域の研究、核融合、及び、天体現象の基礎物理研究、中性子発生源などに利用することができる。

次に、ターゲット１Ａを核融合ターゲットに使用する場合の一例について説明する。図１１は、図１に示したターゲットを、核融合ターゲットして使用する場合の一例を示す断面図である。核融合ターゲット４０は、図１１の中心線Ｃ２周りに回転対称な形状を有する。

核融合ターゲット４０は、核融合の点火部となる第１の燃料部４１と、第１の燃料部４１の外側に離して配置される第２の燃料部４２と、第２の燃料部４２の外周上に設けられアブレーションのためのアブレータ部４３と、第１及び第２の燃料部４２並びにアブレータ部４３を収容しており、開放端部４４ａを有する収容部４４と、を備える。核融合ターゲット４０は、慣性核融合におけるターゲットとして利用され得る。

収容部４４は、開放端部４４ａ側と反対側に向けて先細りしている。収容部４４内において、開放端部４４ａ側からアブレータ部４３、第２の燃料部４２及び第１の燃料部４１が順に配置されている。第１の燃料部４１は、収容部４４において、開放端部４４ａと反対側の端部４４ｂ側に充填されている。

第２の燃料部４２は、核融合燃料としてのＤＴ燃料から構成されている。第２の燃料部４２は、収容部４４の端部４４ｂを中心とした半径Ｒの球面形状に設けられたシェルである。半径Ｒは、第１の燃料部４１の外面までの距離より長い。従って、第１の燃料部４１と第２の燃料部４２との間には間隙が生じている。アブレータ層は、第１の燃料部４１の外周上に被膜されたシェルである。アブレータ部４３は、好ましくは、ポリスチレンなどのプラスチックシェルが用いられる。

収容部４４のうち第１の燃料部４１が充填されている燃料充填領域４４１の内壁面４４１ａは、内側に向けて湾曲している。この燃料充填領域４４１の形状は、式（１）を満たす。従って、収容部４４の燃料充填領域４４１と、燃料充填領域４４１に充填された第１の燃料部４１とがターゲット１Ａを構成していることになる。

燃料充填領域４４１に充填された第１の燃料部４１の大きさは、ターゲット１Ａとして例示した大きさと同様に、中心線Ｃ２方向に対して１００μｍ〜５００μｍとし得る。そして、核融合ターゲット４０の大きさとしては、中心線Ｃ２方向に対して１０００μｍ〜３０００μｍとし得る。

なお、収容部４４のうち燃料充填領域４４１以外の領域、すなわち、燃料充填領域４４１より開放端部４４ａ側の領域の内壁面の形状は特に限定されないが、例えば、断面において、直線で表される面である。

図１１に示した核融合ターゲット４０を利用して核融合反応を生じさせる場合、アブレータ部４３に、図１１に白抜き矢印として例示したエネルギー線としての高出力レーザ光を照射する。この際、レーザ光としては、例えば、ｎｓｅｃ（ナノ秒）オーダーのパルスレーザ光が用いられ得る。レーザ光は、アブレータ部４３の外面に均一に照射されることが好ましい。レーザ光がアブレータ部４３に照射されるとアブレータ部４３がアブレーションを起こす。その作用により、第２の燃料部４２が第１の燃料部４１に向けて加速される。この際、第２の燃料部４２は、収容部４４に誘導されながら第１の燃料部４１に向けて加速される。この点で、収容部４４は、第２の燃料部４２の誘導部材として機能する。第２の燃料部４２が第１の燃料部４１に衝突すると、第１の燃料部４１に衝撃波が生じ、衝撃波が端部４４ｂ側に向けて収束する。第１の燃料部４１及び燃料充填領域４４１とはターゲット１Ａに対応するため、前述したように、第１の燃料部４１に加えられた衝撃波によって第１の燃料部４１が圧縮され高圧及び高密度状態が実現される。これによって、第１の燃料部４１が点火スポットとなって核融合反応が点火される。

ここでは、ターゲット４０のみで核融合反応を生じせしめる場合を例示したが、ターゲット４０とは別に主燃料部を組み合わせて核融合ターゲットとしてもよい。また、ここでは、エネルギー線としてレーザ光を例示したが、例えば、Ｘ線又は荷電粒子線であってもよい。

次に、図１２を利用してターゲット１Ａを基礎物理研究に利用する場合について説明する。ターゲット１Ａを物理研究に利用する場合、高圧及び高密度状態を観測することが求められる場合がある。図１２は、この観測のための実験系を説明するための図面である。

ターゲット１Ａにおいて、高圧及び高密度状態を観測するために、ターゲット１Ａの第１の端部２０ａを有限の大きさとする。第１の端部２０ａの半径であるｃ_０の例は、２０〜５０μｍである。この第１の端部２０ａに観測窓部５０を配置する。観測窓部５０の例は、ＡＲコート５２が第１の端部２０ａと反対側の面に形成されたサファイア基板５１であり、この観測窓部５０は衝撃波の反射部材としても機能する。衝撃波伝搬媒体１０の材料の例は、研究内容に応じて設定すればよい。例えば、衝撃波伝搬媒体１０は、実際に圧縮される主媒体部１１の外面に順に第１被覆膜１２及び第２被覆膜１３が形成されたもとし得る。第１被腹膜１２及び第２被覆膜１３は、主媒体部１１とは異なる材料とし得る。

図１２に示した実験系では、例えば、図１２に白抜き矢印で示すようレーザ光といった衝撃源をターゲット１Ａに衝突させて、ターゲット１Ａで実現される状態を観測窓部５０から計測する。観測窓部５０を利用した計測としては、Ｘ線散乱を利用した密度計測、及び／又は、可視プローブレーザ光を用いた、収束衝撃波の速度計測と温度計測などが挙げられる。

（第２の実施形態）
図１３は、他の実施形態に係る圧縮状態生成用ターゲットの概略構成を示す斜視図である。図１４は、図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った断面である。

図１３及び図１４に示すように、圧縮状態生成用ターゲット１Ｂは、第１の壁部６１と、第２の壁部６２と、第１及び第２の壁部６１，６２との間に充填された衝撃波伝搬媒体１０とを有する。このように第１の壁部６１と第２の壁部６２との間に衝撃波伝搬媒体１０が充填されるので、第１及び第２の壁部６１，６２が充填領域形成部６０を構成しており、第１及び第２の壁部６１，６２との間が衝撃波伝搬媒体１０の充填領域７０である。

第１及び第２の壁部６１，６２は円板状を呈する。第１及び第２の壁部６１，６２は、所定軸Ｃ３上に対向して配置されている。第１の壁部６１は、第２の壁部６２側に湾曲しており、第２の壁部６２は第１の壁部６１側に湾曲している。従って、第１及び第２の壁部６１，６２の内壁面６１１，６２１は湾曲した面であり、その頂部６１１ａ，６２１ａは所定軸Ｃ３上に位置する。従って、第１及び第２の壁部６１，６２の間の所定軸Ｃ３方向の距離（充填領域の幅）は、頂部６１１ａ，６２１ａの位置で最小である。

以下、第１及び第２の壁部６１，６２の内壁面６１１，６２１の形状が満たす条件について説明する。第１の壁部６１及び第２の壁部６２は、所定軸Ｃ３に直交する平面であって、所定軸Ｃ３上における頂部６１１ａ，６２１ａ間の中間点ｍを通る平面Ｐに対して鏡面対称である。よって、第１の壁部６１の内壁面６１１が満たす条件を中心に説明する。

所定軸Ｃ３を含む圧縮状態生成用ターゲット１Ｂの断面において、上記中間点ｍを原点基点）とし、所定軸Ｃ３をｙ軸としてｘｙ座標系を設定した場合、第１の壁部６１の内壁面６１１は、式（４）が満たす曲線ｙをｙ軸周りに回転させて形成される面に対応する。

そして、前述したように、第２の壁部６２は、第１の壁部６１に対して、鏡面対称であるため、第２の壁部６２の内壁面６２１も式（４）を満たす形状になる。

従って、図１４に示した断面形状において、所定軸Ｃ３の両側の領域をそれぞれ第１の領域Ａ１及び第２の領域Ａ２と称した場合、第１の領域Ａ１において、内壁面６１１と内壁面６２１とで挟まれる領域は、所定軸Ｃ３側に向けて先細りした先細り部に対応し、先細り部の内壁面は式（４）を満たす湾曲した面である。ここでは、第１の領域Ａ１について説明したが、第２の領域についても同様である。

そのため、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すように、圧縮状態生成用ターゲット１Ｂの周面となる衝撃波伝搬媒体１０の外面を衝撃面１０ａとして衝撃を付与すると、第１の実施形態の場合と同様にして、衝撃波が圧縮状態生成用ターゲット１Ｂの中心に向けて急速に収束する。その結果、圧縮状態生成用ターゲット１Ｂの中心、すなわち、先細り部の最小径部において、高圧及び高密度状態が達成され得る。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）においては、他の図と同様に、レーザ光などの衝撃源を白抜き矢印で示している。圧縮状態生成用ターゲット１Ｂに衝撃を付与する際には、衝撃波伝搬媒体１０の衝撃面１０ａに均一に衝撃を付与することが好ましい。

（第３の実施形態）
図１６は、更に他の実施形態に係る圧縮状態生成用ターゲットの斜視図である。図１６では、後述する磁場圧縮のための種磁場Ｂも模式的に示している。

圧縮状態生成用ターゲット１Ｃでは、衝撃波伝搬媒体１０が充填される充填領域形成部８０が、一端部側で連結され他端部側で広がった第１の側壁部８１と第２の側壁部８２とを有する点で、第１の実施形態の充填領域形成部２０と主に相違する。

第１の側壁部８１と第２の側壁部８２との間が、衝撃波伝搬媒体１０の充填領域９０である。第１の側壁部８１と第２の側壁部８２とは所定方向Ｃ４方向に延在している。第１の側壁部８１と第２の側壁部８２の配置状態では、充填領域９０は、充填領域形成部８０の開口側から一縁部に向けて先細った先細り部を構成している。また、充填領域９０を規定する第１の側壁部８１と第２の側壁部８２の内壁面８１１，８２１は内側に湾曲している。所定方向Ｃ４に直交する断面において、所定方向Ｃ４に直交する軸線を図２に示した中心線Ｃ１に対応させ、第１の側壁部８１と第２の側壁部８２の連結部を基点とした場合、内壁面８１１，８２１の形状は、式（１）で表される。すなわち、充填領域９０の所定方向Ｃ４に直交する断面の形状は、図２と同様である。従って、図１６に白抜き矢印で例示するように、第１の側壁部８１と第２の側壁部８２との幅が広がっている側からレーザ光などによって衝撃を衝撃面１０ａに付与することで、衝撃面１０ａで駆動された衝撃波は、第１の実施形態の場合と同様に、第１の側壁部８１と第２の側壁部８２とが連結された端部側に向かって収束し、その端部で反射する。その結果、高圧及び高密度状態が実現される。

ここで、圧縮状態生成用ターゲット１Ｃを利用した磁場圧縮について説明する。磁場圧縮する場合、図１６に示したように、所定の種磁場Ｂ内に圧縮状態生成用ターゲット１Ｃを配置しておく。種磁場、永久磁石による定常的な磁場でもよいし、コイルを利用して生成されるミリ秒〜マイクロ秒の時間スケールで変動する変動磁場でもよい。この状態で、衝撃面１０ａに、例えばパルス幅がナノ秒程度のパルスレーザ光を照射することによって、衝撃面１０ａに衝撃を付与すると、圧縮状態生成用ターゲット１Ｃにおいて高密度状態が実現される。衝撃波伝搬媒体１０が高密度に圧縮されることにより、種磁場Ｂも圧縮されることになるので、磁場圧縮がなされる。このような磁場圧縮によって、圧縮状態生成用ターゲット１Ｃを物性研等に使用し得る。

図１６では、衝撃波伝搬媒体１０の側面は開放されているが、衝撃波伝搬媒体１０の側面は、第１の側壁部８１と第２の側壁部８２と同様の材料で閉じられていてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、衝撃波伝搬媒体１０の充填領域のうち先細り部の壁面は、先細り部の断面形状において、式（１）、式（２）又は式（３）で規定される形状を有するとした。しかしながら、上記壁面は、先細り部の内側に湾曲していればよい。例えば、先細り部の壁面は、先細り部の断面形状において、式（１）、式（２）又は式（３）において規定した一つのｎで表される形状に限定されない。例えば、ある領域は、ｎ＝４で、他の領域は、ｎ＝９であるなど、複数の形状が組み合わされていてもよい。

衝撃波伝搬媒体が充填される充填領域の形状として、充填領域の断面において、ある軸線に対して対称な形状を例示したが、充填領域は、対称形状を有さなくてもよい。そして、充填領域を規定する一つの壁面が、内側に湾曲する壁面であればよい。例えば、図１６に示した第１の側壁部８１の内壁面８１１が内側に向けて湾曲していれば、第２の側壁部８２の内壁面８２１は平坦面でもよい。

以上、充填領域のうち先細り部を規定する壁面について述べたことは、核融合ターゲット４０において、衝撃波伝搬媒体１０に対応する第１の燃料部４１が充填される燃料充填領域４４１の内壁面の形状についても同様である。

また、第３の実施形態に示した圧縮状態生成用ターゲット１Ｃを磁場圧縮に利用する場合を例示したが、他の実施形態に示した圧縮状態生成用ターゲット１Ｃを磁場圧縮に用いてもよい。すなわち、第１〜第３の実施形態で例示した圧縮状態生成用ターゲットの適用例については、適用するための特定形状の要求がなければ、他の実施形態の圧縮状態生成用ターゲットを使用することも可能である。

１Ａ〜１Ｃ…圧縮状態生成用ターゲット、１０…衝撃波伝搬媒体、１０ａ…衝撃面（所定面）、２０…充填領域形成部、２０ａ…端部、２０ｂ…端部、３０…充填領域、３…周壁部、３１ａ…内壁面、４０…核融合ターゲット、４１…第１の燃料部、４２…第２の燃料部、４３…アブレータ部、４４…収容部、４４ａ…開放端部、４４ｂ…端部（収容部と反対側の端部）、６０…充填領域形成部、６１…第１の壁部、６２…第２の壁部、７０…充填領域、８１…第１の側壁部、８２…第２の側壁部、９０…充填領域、４４１…燃料充填領域、６１１，６２１…内壁面、６１１ａ，６２１ａ…頂部、８１１，８２１…内壁面。

Claims

核融合燃料に対してエネルギー線を照射することによって核融合反応を点火させるために用いられる核融合ターゲットであって、
核融合の点火部となる第１の燃料部と、
前記第１の燃料部の外側に離して配置される第２の燃料部と、
前記第２の燃料部の外周上に設けられるアブレータ部と、
前記第１及び第２の燃料部並びに前記アブレータ部を収容しており、開放端部を有する収容部と、
を備え、
前記収容部は、前記開放端部側と反対側に向けて先細りしており、
前記開放端部側から前記アブレータ部、前記第２の燃料部及び前記第１の燃料部が配置されており、
前記第１の燃料部は、前記収容部において、前記開放端部と反対側の端部側に充填されており、
前記収容部のうち、前記第１の燃料部が充填されている領域の壁面は、内側に向けて湾曲している、核融合ターゲット。