ショットの光学材料とレーザーガラス：核融合研究の「核心」

不可能と思われるものを先駆けて開発：太陽を再現

太陽や銀河系の星々は、核融合反応を繰り返しています。無限に存在する水素原子は絶えず衝突し、原子核同士を勢いよくぶつけ合って結合し、その結果、光や暖かさという形でエネルギーを放出しています。このような反応を地球上で再現し、制御することができれば、化石燃料に頼らず、地球を破壊する温室効果ガスや放射性廃棄物を発生させないエネルギー源を利用することが可能となります。 

しかし残念ながら、太陽のパワーを再現するのは口で言うほど簡単ではありません。

課題

国立点火施設 (NIF) の研究者には 2 つの課題がありました。第一に、大量のエネルギーに耐えるだけでなく、レーザー出力を途中で直接、フィルタリング、さらに増幅できる独自の材料が必要でした。これにより、レーザーの燃焼に必要な初期エネルギー量を抑えることができ、点火の確率を高めることができます。 

第二に、実験を行うたびに研究室の微調整された機器を損傷から保護するブラストシールドが必要でした。また、実験を頻繁に行うには、費用対効果が高く、高速で製造が可能なシールドが必要でした。

国立点火施設 (NIF) における研究を可能にする独自の特殊ガラスの合成

特殊ガラスシーリング：
ショットのガラス封止に関する専門領域は、気密性と耐久性の高い接合を形成することで、高温環境に対する耐性と熱衝撃に対する耐性を備えているだけでなく、卓越した光透過率も備えた封止ガラス棒の実装に役立ちました。

BOROFLOAT® ガラス：
丈夫で軽量、汎用性の高い BOROFLOAT® は、浮遊する低熱膨張ホウケイ酸ガラスで、優れた透明性を維持しながら最も過酷な環境に耐えます。これは、国立点火施設 (NIF) の精密に調整された装置を破片から守るのに最適な素材です。

偏光器、回転ミラー基板、フラッシュランプ、レーザースラブなど：
ショットの連続溶解タンクとシングルバッチるつぼにより、無数の特殊用途に合わせたカスタムガラス部品の製造が可能になりました。ショットは国立点火施設 (NIF) のために、NIF独自の要件を満たす4,000 個以上の特殊部品を製造しました。

ショットのガラスがレーザーエネルギーを増幅・誘導し、原子力点火を促進する方法

わずか数十億ジュールのレーザーパルスは、光ファイバーでネオジムガラスの 48 個の前置増幅器に運ばれ、最初のレーザーのエネルギーを数十億倍に増強し、その形状を決定します。レーザーミラーとレンズは、レーザーガラスでできた2つの大きな増幅器にビームを導きます。レーザー光は、特殊な光学系によりこれを4 回繰り返します。ミラー、フィルター、その他の装置が特殊なガラスを利用して、均一、高品質、滑らかなビームを形成しています。 

ビームは、ターゲットに到達する直前に、400 万ジュールの赤外エネルギーを 200 万ジュールの紫外線エネルギーに変換する最終光学系を通過します。これは、点火に適する短波長です。この紫外線エネルギーはターゲットと衝突し、わずか数分の 1 秒で水素燃料を鉛の100倍の密度にまで圧縮し、1億 °C を超える温度を生成します。米国国立点火施設 (NIF) は太陽光システム内で最も熱い場所です。

かつては不可能だと思われていたことが実現しています。これはほんの始まりに過ぎません。

レーザーガラスが核融合の鍵を握るのはなぜですか？ 

ガラスは、材料均質性などの独自の技術的特性を持っており、光励起レーザーのパワーの源となる希土類イオンのホスト材料として理想的です。光学材料の品質は、均質性と屈折率の範囲によって決まります。ショットは、極めて特殊で高度な技術的・光学的・工業的ニーズに合わせて、国立点火施設 (NIF) がレーザーに必要とするものに正確に適合するように、さまざまなアクティブレーザーガラス製品や構成部品用にその品質を調整・変更することができます。  

 

BOROFLOAT® ガラスの耐久性

ショットの浮遊ホウケイ酸ガラスは国立点火施設 (NIF) の貴重な光学系を破片から保護します。BOROFLOAT ® は卓越した透明をもつばかりでなく、機械的、熱的、化学的弾力性が高いため、レーザーショット中に国立点火施設 (NIF) の光学系を有害な破片から保護する完璧な材料です。ショット独自のマイクロフロート生産工程により、優れた表面品質と BOROFLOAT® の優れた耐摩耗性と耐擦傷性を備えた材料が提供され、最も要求の厳しい産業環境でもガラスが性能を発揮することが保証されます。

 

製造のしやすさ：結論 

国立点火施設 (NIF) の点火に貢献したレーザーガラスの開発には、材料科学と工学の高度な専門知識が不可欠であったことは間違いありません。しかし、ガラスの製造と生産に同じように熟練した専門知識がなければ、その特殊ガラスはここまでしか使えません。

ペンシルバニア州デュリエで、ショットの光学専門家は連続溶融プロセスを先駆けて、小さな断片に切断できる大型ガラススラブを作成しました。従来のプロセスでは1日に1枚の基板しか得られなかったのが、この新しい溶融プロセスでは歩留まりが向上したおかげで、国立点火施設 (NIF) は実験頻度を増やすことができました。