工学系

2018年7月13日

研究成果のポイント

・物質の硬さや密度がレーザー核融合で問題となる凸凹形成を抑える要因であることが明らかに.
・最新の蒸着技術により,研磨加工を行わない場合でも数十ナノメートル以下の平滑性をもつ高品質のダイヤモンドカプセルの作成に成功.
・凸凹が形成されにくい硬いダイヤモンドを燃料カプセル材として用いることで,レーザー核融合※1燃料の安定した圧縮・効率的な加熱ができると期待.

概要

大阪大学レーザー科学研究所の加藤弘樹(かとうひろき)博士課程学生,重森啓介(しげもりけいすけ)教授,長友英夫(ながともひでお)准教授らの研究グループは,レーザーで核融合燃料が圧縮される際に問題となる表面の凸凹形成(レーザーインプリント)が,硬くて重たい物質では抑制されることを初めて明らかにしました.これにより,凸凹が形成されにくいダイヤモンドのカプセルを用いた核融合燃料の安定した圧縮と効率的な加熱が期待されます.また,実際にこれを核融合燃料に応用するためのキーテクノロジーとなる,高精度なダイヤモンドカプセルの作製にも成功しました.

燃料カプセルがレーザー光で直接照射される核融合の方式(直接照射型慣性核融合※2)では,主に,“インプリント”と呼ばれる照射による凸凹形状の発生と,製作時のカプセル表面の粗さが,燃料の圧縮・加熱を妨げるため問題となっていました.

今回,同研究グループは,まず,このインプリントの低減機構の解明を行い,約100万気圧という超高圧状態においても弾性体※3として振る舞うダイヤモンドの硬さに着目し,インプリント擾乱における物質の硬さや密度の影響について基礎実験及びシミュレーションを実施しました.その結果,ダイヤモンドに生じるインプリント擾乱は従来の典型的なカプセル材料であるポリスチレンの約30%にまで低減されることを実証しました.本成果はAmerican Institute of Physics社が発行する「Physics of Plasmas」誌に2018年3月20日午前4時(日本時間)に掲載されました.

さらに,大阪大学レーザー科学研究所と産業技術総合研究所との共同研究グループは,水素とメタンから成る原料ガスをフィラメント加熱によって分解し結晶成長させる方法で真球度※4~99.7%,そして数十ナノメートル以下の平滑性をもつ均一性の高いダイヤモンドカプセルの作製に成功しました(図1).研磨加工を必要としない本手法は核融合用カプセルの大量生産に応用可能です.この成果はELSEVIER社が発行する「Diamond & Related Materials」誌に2018年4月17日午前2時(日本時間)に掲載されました.

図1 原料ガスを熱分解し結晶成長させる方法で得られた核融合実験用ダイヤモンドカプセル(直径約500μm,膜厚~6μm)

研究の背景

核融合燃料が内包されたカプセルは高強度レーザーにより圧縮・加熱されます.この方式で,高温(約1億度)・高密度(固体密度の約1000倍)状態のプラズマ※5が実現すると,約100億分の1秒という短時間内に核融合反応が可能となります.この核融合反応を起こすには,均一なレーザー照射に加え,ナノオーダレベルの膜厚均一性をもつカプセルが必要です.図2(a)のように非一様なレーザー照射によって,表面上に形成されるプラズマの圧力が不均一になります.その結果,カプセル表面に振幅1μm程の微小な凸凹(インプリント擾乱)が発生し,表面が歪みます.このインプリント発生がカプセルの圧縮・加熱を妨げる要因の一つとなっています.したがって,非一様なレーザー照射下でもインプリント擾乱を抑えることが安定な燃料圧縮に対して最重要課題となっています.これまで,図2(b)のような照射時間の経過とともに広がるプラズマ中では遮断密度※6面近傍での圧力不均一(または温度不均一)が熱伝導により実効的に緩和される効果(熱平滑化効果)が実証されてきました.一方で,この熱平滑化効果は照射直後ではプラズマ形成が不十分であり,この緩和機構は有効でないという欠点がありました(図2(a)).

図2 レーザーインプリントの概念図(a)レーザー照射極初期時(b)照射直後から時間が経過し,表面上のプラズマ領域が広がっているとき

本研究の成果

加藤弘樹らの研究グループは,インプリント低減の解決策として,物質の硬さや密度に着目しました.図2(a)にある物質表面の押されるスピードが小さいほど,つまり,重たくて圧縮されにくい物質ほど凸凹が形成されにくい予測がありましたが,実験的な検証はされていませんでした.この予測の実証に向けて,同研究グループは極めて硬いダイヤモンドに生じるレーザーインプリントの基礎実験を大阪大学レーザー科学研究所の高出力レーザー激光XII号において実施しました.

実験及びシミュレーションの結果,ダイヤモンドのインプリント擾乱は従来のカプセル材であるポリスチレンの約30%にまで低減されていることが明らかになりました.そして,照射時における物質の圧縮率と密度がインプリントの低減に寄与することが初めて実証されました.硬さや密度による効果と従来の熱平滑化効果との組み合わせによって,さらなるインプリントの抑制が期待されています.

さらに,原料ガスを熱分解し結晶成長させる方法(化学気相成長法※7)を用い,ナノオーダレベルの高精度なダイヤモンドカプセルの作製に成功しました.熱フィラメントを用いた結晶成長法※8では,通電加熱された高温なフィラメント(タングステン製)によって原料ガス(水素とメタン)が熱分解され,比較的低いガス圧で基材表面上にダイヤモンド粒がコーティングされます.その結果,真球度~99.7%,そして数十ナノメートル以下の平滑性をもつ均一性の高いダイヤモンドカプセルが得られました.合成パラメータ(原料ガス濃度やガス圧)の最適化により表面平滑性がさらに向上できる可能性があります.また,研磨を用いない本手法は研磨工程における加工損傷層や,これらに起因する残留応力※9が加工面内に生ずる問題を回避でき,核融合用カプセルの大量生産に繋がることが期待されています.

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

本研究成果は,レーザー核融合における燃料圧縮の安定化に資するものです.レーザー核融合研究は高温・高密度下におけるプラズマ内部状態の基礎研究としても重要であり,宇宙プラズマをはじめとして,高エネルギー密度科学※10全般で幅広い応用が可能です.また,本研究成果はレーザー核融合ターゲット設計だけでなく,レーザー加工の素過程とも深く関連しており,これらの研究の進展に寄与すると考えられます.

特記事項

レーザーインプリントに関する研究成果は,2018年3月20日午前4時(日本時間)にAmerican Institute of Physics(AIP)社が発行する「Physics of Plasmas」誌(オンライン)に掲載されました.

タイトル:“Effect of equation of state on laser imprinting by comparing diamond and polystyrene foils”
著者名:加藤弘樹1, 重森啓介1, 長友英夫1, 境家達弘2, 植田泰智1, 寺崎英紀2, 弘中陽一郎1, 中井光男1, 清水克哉3, 疇地宏1

所属:
1. 大阪大学 レーザー科学研究所
2. 大阪大学 大学院理学研究科 宇宙地球科学専攻
3. 大阪大学 大学院基礎工学研究科 附属極限科学センター

なお,本研究は,日本学術振興会・科学研究費補助金(23340175)及び,核融合科学研究所の双方向型共同研究課題の支援(NIFS10KUGK044)のもと実施されました.

また,ダイヤモンドのカプセルに関する研究成果は,2018年4月17日午前2時(日本時間)にELSEVIER社が発行する「Diamond & Related Materials」誌(オンライン)に掲載されました.本成果は,産業技術総合研究所の大曲新矢研究員,山田英明主任研究員らとの共同研究によるものです.

タイトル:”Synthesis and characterization of diamond capsules for direct-drive inertial confinement fusion”
著者名:加藤弘樹1, 山田英明2, 大曲新矢2, 茶谷原昭義2, 杢野由明2, 福山祐司1, 藤原宇央1, 宮西宏併1, 弘中陽一郎1, 長友英夫1, 重森啓介1

所属:
1. 大阪大学レーザー科学研究所
2. 産業技術総合研究所

なお,本研究は,大阪大学レーザー科学研究所と産業技術総合研究所との共同研究(2016B2-YAMADA)により実施されました.

用語説明

※1 レーザー核融合
高強度レーザーを用いて,重水素と三重水素を含む燃料を高密度に圧縮するとともに高温に加熱することで,核融合反応を起こし,エネルギーを得る方法.

※2 直接照射型慣性核融合
核融合燃料カプセルが十分球対称に爆縮するように,多本数のビームレーザーをカプセル周りから一様に直接照射する方法.

※3 弾性体
力を加えることで変形が生じた際に,それを元の形に戻そうという復元力が働く物体のこと.

※4 真球度
完全に丸い球からの差の度合い.

※5 プラズマ
電荷を帯びた荷電粒子の集団.固体,液体,気体に続く第四の物質状態(相)で,電離気体とも呼ばれる.物質を構成する原子の一部または全部がイオンと電子に分離しており,個々の粒子が集団的な振る舞いを行う.

※6 遮断密度
光が反射されるプラズマの密度.

※7 化学気相成長法
産業用に使用されるダイヤモンドはほとんどが人工的に大量生産されたもので,合成法には3種類あり,高圧(約5万気圧),高温(約1500℃)で作る高温高圧合成法と,火薬の爆発の衝撃波を使う爆発法,低圧(約0.1気圧)のメタンと水素から成る原料ガスをプラズマ等で反応させる気相合成法がある.気相合成法は大面積,薄膜形成,不純物制御等の他の2法では実現できない技術に適用が可能で,既に多結晶ダイヤモンドの製造技術として工具等への適用が進められている.

※8 熱フィラメントを用いた結晶成長法(熱フィラメントCVD法)
フィラメントを通電加熱して,その熱で原料ガスを分解し,基材上で結晶成長させる方法.原料ガスは水素(~9割)とメタン(~1割以下).基材(Si,Mo等の高融点材料など)は1000℃程度に維持する.合成速度が比較的小さく(~1μm/h程度),合成面積に原理的な制限が少ない.(300mm四方に渡り合成可能な装置が市販されている.)

※9 残留応力
物体に加えられた外力が除去された後も,物体内になお存在している内力.

※10 高エネルギー密度科学
レーザーのように,短時間の内に大きなパワーが得られる装置を利用して,エネルギー密度1011J/m3(100万気圧)を超える物質・プラズマを生成し,その内部状態を観測して研究する科学分野.レーザー核融合や実験室宇宙物理学も,高エネルギー密度科学に含まれる.

参考URL

大阪大学 レーザー科学研究所
http://www.ile.osaka-u.ac.jp/jp/index.html

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