レーザー・クラスター実験における二次ビーム–ターゲット反応による核融合出力の増強

実験室で小さな太陽を点す

太陽を動かす核融合は通常、巨大な装置や恒星内部のような極端な条件を必要とする。本研究はまったく異なるアプローチを探る：卓上サイズの超短パルスレーザーと微小なガスクラスターを用いて、コンパクトな装置内で核融合反応を引き起こすのである。研究チームは、レーザー駆動の融合源の周囲に単純な固体の“殻”を加えることで生成される中性子の数が劇的に増加することを示し、恒星に似た条件を小さな実験室で調べる道を開いた。

レーザーがクラスターを融合燃料に変える仕組み

レーザー・クラスター核融合では、強力で極めて短いレーザーパルスが重水素化メタンガスからなる微小なクラスターのジェットを叩く。重水素化メタンは水素の代わりに重水素が入ったメタンの一種だ。強い光がクラスターから電子をはぎ取り、正に帯電したイオンが残されると、それらは互いに激しく反発して“クーロン爆発”を起こす。この爆発は重水素イオンを数万電子ボルトのエネルギーまで弾き飛ばし、重水素核の対が融合して2.45 MeVの中性子を放出するのに十分なエネルギーを与える。クラスターが爆発する領域では、エネルギーの高いイオン同士や遅い原子との衝突によって一部の融合が発生する。

追加の融合のための周囲ターゲットの導入

本研究の核心は、最初の融合領域から逃げ出す高速イオンを捕らえて再利用することにある。チームはクラスタージェットを重水素化プラスチック（CD2）でできたC字型のブロックで囲んだ。爆発するクラスターから熱い重水素イオンが外向きに流れる際、多くのイオンがこの固体ターゲットに突入する。そこでは、ガスジェットよりもはるかに高密度に詰まった多数の重水素原子と遭遇する。各イオンは固体内部で減速しながら追加の融合反応を引き起こし、「無駄」になるはずだった粒子を第二段階の中性子生成に変換する。

時間との競争で中性子を測る

この二次ターゲットがどれほど効果的かを確認するため、研究者たちは数メートル離れた検出器に到達する中性子の到着時刻と数を注意深く測定した。融合中性子は既知の速度で飛ぶため、その飛行時間（time of flight）はいつどこで生成されたかを示す。X線による早期信号を差し引き、わずかなエネルギー分布の広がりを補正することで、チームはクラスター領域由来の中性子と追加したCD2ブロック由来の中性子を分離した。また、別の検出器を用いて重水素イオンのエネルギーを測定し、おおむね60〜100 keVの範囲のイオン「温度」を見出した—これはイオンのエネルギーの指標である。

収率を上げるために加熱を強める

CD2ターゲットを配置すると、レーザー1ショット当たりの中性子収率は急増した。試験した最も低いイオンエネルギーでは、クラスターのみの場合と比べて中性子数はおおむね2倍になり、約100 keV近傍の最高エネルギーでは収率が約3.5倍になった。熱いプラズマの膨張、イオンの減速、ガスおよび固体で発生する反応数を追跡する時間分解モデルは、これらの測定値とよく一致した。解析によれば、イオンエネルギーが上がるにつれて各イオンが固体ターゲットで融合する確率が高くなるため、追加したCD2ブロックの相対的な利得は試験範囲内でほぼ線形に増加することが示された。

核融合と宇宙にとっての意味

この実験は、主要な融合領域を適切な固体ターゲットで取り囲むことで、コンパクトなレーザー駆動核融合装置における中性子生成を実用的に大幅に増幅できることを示している。単に中性子を多くするというだけでなく、この概念は柔軟性を持つ：CD2ブロックを他の材料に置き換えれば、今後の実験では恒星内部に似た低エネルギー条件下でさまざまな核反応を精密に調べることが可能だ。実質的に、レーザー・クラスター核融合と二次ターゲットの組み合わせは、核の反応性や融合頻度を探るための小規模で調整可能なプラットフォームを提供し──これは将来の融合技術の理解と天体物理学的天体の内部構造の解明の両方に重要な情報を与える。」

引用: Sim, J., Lee, S., Kim, Hi. et al. Fusion yield enhancement via secondary beam-target reactions in laser-cluster experiments. Sci Rep 16, 5633 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35722-z

キーワード: レーザー・クラスター核融合, 重水素核融合, 中性子収率, 二次ターゲット, 天体核反応