レーザ核融合技術とその波及効果

―パワーレーザが拓く新しい世界― 

（1）レーザ核融合研究の現状と見通し 

  1972 年，レーザ爆縮の概念が公開され，本格的なレーザ核融合の実験研究が始まった。70 年代の後半から 80 年代の初期にかけて各国で出力 10〜数 10kJ の多ビーム大型レーザ装置が建設され，80 年代末までに核融 合点火･燃焼に必要な温度(1 億度)と密度(固体密度の 1,000 倍)が個別に大阪大学などで達成された。これに よりレーザ核融合の研究は点火･燃焼をめざす新しい段階に入った。すなわち，高密度燃料中にホットスパー クを形成し，核融合反応に点火し，高い核融合エネルギー利得の可能性を実証することが現在の研究の目標 となっている[1]。 

  レーザ核融合の原理を図 1 に示す。直径数 mm の微小な球状燃料ターゲットの周囲からレーザ光を照射し，

ターゲット表面で発生する高温プラズマの外部へのアブレーションによるロケット作用を利用して，内部の 燃料を高密度に圧縮する。圧縮された燃料中心部は高温に加熱され，核融合反応が誘起される。これを中心 点火方式という。発生したα粒子により，周辺の，低温･高密度燃料が加熱され核融合反応が燃料全体に広が り，反応は終了する。中心点火方式では，最大圧縮時に中心部のホットコアを低温の高密度燃料が取り囲む 2 重構造を作り上げることが重要であり，非常に高い爆縮の球対称性が要求される。米国や仏国では，MJ 級 の出力を有する巨大なレーザ装置を建設し，10 程度の核融合利得をめざす，National Ignition Facility 

（NIF）計画や Laser Mega Joule （LMJ）計画が開始されている。計画が予定通りに進めば，2013 年頃まで には目標に到達する見込みである。 

  一方，チャープパルス増幅（CPA）を利用した極短パルス･超高強度レーザの出現とともに，高速点火とい うレーザ核融合の新しい概念が提唱された。これは高密度に圧縮したプラズマに超高強度レーザを照射し，

高速加熱によりホットスパークを生成して核融合点火をめざす方式である。1 つのレーザで燃料の高密度圧 縮と核融合点火を行う中心点火方式に対し，高速点火方式では圧縮と加熱に特性の異なる別々のレーザを用 いる。図 2 はレーザエネルギーに対する核融合利得の予測値である。中心点火の場合，100 程度の核融合利

得を得るには数 MJ のレーザが必要であるのに対し，高速点火では数 100kJ 程度でよく，小型のレーザでコン パクトな核融合炉を実現できる可能性があると期待されている。大阪大学では高速点火方式を中心テーマと してレーザ核融合研究を進めており，新型コーン付ターゲットを用いて爆縮プラズマにペタワットレーザを 照射し，その有効性を実証した。この結果を下に，大阪大学では高速点火によるレーザ核融合点火燃焼実証 計画（FIREX 計画）を進めている。計画は 2 期に分かれ，第 1 期（6 年）では加熱用レーザのエネルギーを 10 倍に増加し，点火温度（1 億度）までの加熱を実証する。第 2 期（6 年）では爆縮用レーザ，加熱用レー ザともに出力エネルギーを増力し，点火燃焼を実証する。計画が予定通りに進めば，米国 NIF とほぼ同時期 に点火燃焼が実証され，核融合利得〜10 が達成できるものと予測している。 

1 10 100

10 核 

融  合  利  得

レーザーエネルギー（MJ）

0.1 1

US-NIF 中心点火 高速点火

核融合炉に  必要な利得

光陽

（高速点火）

最大圧縮

（中心点火）

レーザー照射 圧縮  最大圧縮 燃焼

超高強度レーザー

        図 1  レーザ核融合の原理（中心点火と高速点火）      図 2  レーザ核融合のエネルギー利得   

▲点火実証

繰返し工学試験 高速点火実証装置

FIREX-I FIREX-II 10kJ爆縮レーザー 

10kJ加熱レーザー 加

2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035

100J 1kJ

電気出力〜2MWe

▲発電実証

▲実用発電実証

核融合炉工学技術開発（ブランケット、液体金属冷却、 

トリチウム、炉材料、炉設計、安全技術等）

電気出力100〜200MWe 実証炉（DEMO）

工学設計 建設 運転

2003年

実験炉（LFER）

概念設計 工学設計

建設

200kJ/1Hzレーザー、パルス出力 10MJ、熱出力10 MWth

ターゲット・照射技術開発 連続運転技術

炉チャンバー技術開発 液体壁・ブランケット

20kJ/1Hzレーザー  繰返し試験 DPSSL 

モジュール開発

T1   T2      T3    ﾌﾞﾗﾝｹｯﾄ試験 連続運転試験

  図 3  レーザ核融合炉に向けての開発計画ロードマップ 

  このような炉心プラズマ研究の進展とともに，レーザ核融合発電炉の概念設計が行われ，炉の実現に向け て必要な開発課題が明らかになってきた。レーザ核融合炉実現に向けての開発計画ロードマップを図 3 に示 す。点火燃焼の物理解明をめざす FIREX 計画に続いて，定常出力の運転を行う実験炉（LFER）を建設し，炉 工学技術の確立を図る。実験炉に必要な繰り返し炉心技術，すなわち繰り返しレーザ技術と燃料ターゲット のインジェクションならびに照射技術の開発を FIREX 計画と並行して進め，これらを総合して，核融合出力 がゼロに近い条件下で，繰り返し工学試験を実施する。これによりレーザ核融合炉固有の繰り返し炉心に関 するキーテクノロジーを確立する。実証炉では，安定で信頼性の高い小規模の発電を行い，経済性，環境保 全性など魅力的な核融合発電技術の見通しを示し，2050 年頃の商用発電への導入をめざす。 

  レーザ核融合炉実現の最重要課題は炉用ドライバーとしてのレーザ開発である。これまで炉心プラズマ研 究に利用されてきたフラッシュランプ励起のガラスレーザはシングルショットの爆縮実験に最も適したレー ザではあるが，炉用ドライバーとして必要な性能，すなわちパルスエネルギー0.3〜数 MJ，繰り返し 3〜15Hz，

効率〜10%程度を実現することは困難である。このため半導体レーザ励起の固体レーザ（Diode-Pumped  Solid-State Laser， DPPSL）が重要な候補と考えられ，開発が開始されている。出力エネルギー1〜10 kJ の増幅システムを基本ユニット（モジュール）とし，これを多数ビーム結合したものを炉用ドライバーとし て用いる。 

（2）レーザ核融合研究が生み出す新しい科学技術 

  レーザ核融合研究用に開発された高出力レーザや，レーザ爆縮により実現される超高温度（1 億度），超高 密度（1kg/cc），超高圧力（100 億気圧）など極限の物質状態を利用して，新しい科学技術分野や産業応用が 生まれようとしている。レーザ核融合研究の波及効果のいくつかを簡単に紹介する。 

 （a）高出力レーザの応用 

  レーザ核融合で開発された kJ 程度のパルスエネルギーを発生できるレーザは，レーザ誘雷，ロケット推進，

宇宙デブリ除去等，様々な分野への応用が検討されている。レーザ誘雷では大気中にレーザ光を送出し，高 さ 50m 程度の誘雷塔の先端から長さ 20m 程度の長尺のプラズマを作り，プラズマの先端から雷雲に向けてリ ーダーを進展させ，リーダーを通して雷を誘雷塔へ導く。雲底の低い冬季雷には有効な手法で，大阪大学で はレーザ総研，関西電力の共同研究により，すでに冬季雷のレーザ誘雷に成功している。kJ，10Hz 程度のレ ーザにより実用化の可能性がある。 

  (b)極限状態の科学 

  レーザ爆縮などで生成される極限状態を利用すれば，超新星爆発や地球の内部構造など，これまで不可能 であった環境を実験室で模擬することが可能となり，相対論的プラズマ物理学，実験室天文学などの新しい 学問領域が生まれようとしている。また，金属水素や金属炭素のような新物質の創成なども期待されている。 

  (c)レーザプラズマ X 線源 

  レーザ生成プラズマからは，マイクロ波から X 線に至る広い周波数領域で強力な電磁波が放出される。高 輝度，短パルス，微小点源などの特長を生かし，非破壊検査や生体観測など様々な応用が期待されている。

特に波長 13nm の極端紫外（EUV）光は次世代半導体デバイス製造用リソグラフィ光源として，2010 年頃の実 用化をめざして，世界的に開発競争が繰り広げられている。図 4 はレーザプラズマを利用した EUV リソグラ フィシステムの概念図である。これが実用化されれば，線幅 25nm 程度まで微細化が可能となり，半導体素子 の集積化が飛躍的に高まる[2]。 

多層膜反射鏡：Mo/Si 、R〜67%,      @13.4nm, Dl=0.56nm

ウェ ハステージ ウェ ハ位置合わせ センサ

投影光学系

レチクルステージ

照明光学系 レーザープラズマ 

 EUV光源

(5〜7枚)

(6枚)

ステッパスキャナ 露光面積：2.5cm ×0.2cm 露光均一性：1% (100パルス 平均) 7〜10 kHz

1〜3 mm ²sr

高繰り返し  高出力レーザー 高効率ターゲッ ト

プラズマ最適化

115 W  

@13.5nm

  図 4  EUV リソグラフィシステム概念図 

  (d)レーザ核科学とその応用 

  超高強度レーザで生成されるプラズマは MeV を超える高エネルギーの電子やイオンの発生源として，レー ザ加速，核反応，核変換など多くの応用が考えられている[3]（図 5）。 

  図 5  レーザ生成高エネルギー粒子の利用 

参考文献 

[1] 井澤靖和，応用物理 73， 194 (2004)  [2] 西村博明，生産と技術 55 (4)， 41 (2004) 

[3] 阪部周二  他，日本原子力学会誌 43， 996 (2001) 

（井澤  靖和）