Deuterium (D)-Tritium (T) nuclear fusion reaction has potential as an energy source in the future. In both magnetic confinement and inertial confinement fusion reactors, solid D–T will generally be supplied as fusion fuel. The efficiency of the nuclear fusion reaction depends on the quality of solid D–T fuel, which is related to the composition, homogeneity, helium-3 (3He) content, and so on. However, there is no technique for in-situ examination of solid D–T fuel. In this study, we consider a simple and precise method for the characterization of solid hydrogen isotopologues at cryogenic temperature using refractive index measurement, and evaluate the distribution of hydrogen isotopologue composition and homogeneity. To evaluate without the effect of tritium decay, the homogeneity of the hydrogen (H2)-deuterium (D2) mixture is measured at first. By the in-situ refractive index measurement at cryogenic temperature, the homogeneity of solid H2–D2 mixture is roughly quantified. The phase diagram of the H2–D2 mixture shows a solid solution type. D2-rich crystal first appears from the liquid phase as a primary crystal. The composition of D2 in liquid phase ias homogeneous, whereas it reduces by obeying the liquidus line in the phase diagram with the crystallization. On the other hand, the composition of the H2–D2 mixture in solid phase is inhomogeneous because the mobility of H2 and D2 in solid phase was too slow to be homogeneous and solid. The compositions of H2–D2 mixture in liquid and solid phases could be evaluated by the in-situ refractive index measurement in time. Consequently, the refractive index measurement shows great potential as an inspection method of solid D–T fuel in fusion reactors.
重水素(D)-トリチウム(T)核融合反応は、将来のエネルギー源として可能性を有している。磁場閉じ込めおよび慣性閉じ込め核融合炉の両方において、固体D-Tが一般に核融合燃料として供給されるであろう。核融合反応の効率は、固体D-T燃料の品質に依存し、その品質は組成、均質性、ヘリウム3(3He)含有量などに関連する。しかしながら、固体D-T燃料のその場検査の技術は存在しない。本研究では、屈折率測定を用いた極低温での固体水素同位体種の簡便かつ正確な特性評価方法を検討し、水素同位体種の組成分布と均質性を評価する。トリチウム崩壊の影響を受けずに評価するため、まず水素(H2)-重水素(D2)混合物の均質性を測定する。極低温でのその場屈折率測定により、固体H2-D2混合物の均質性がおおよそ定量化される。H2-D2混合物の状態図は固溶体型を示す。D2リッチ結晶が液相から初晶として最初に現れる。液相中のD2組成は均一であるが、結晶化に伴い状態図の液相線に従って減少する。一方、固相中のH2-D2混合物の組成は不均一である。なぜなら、固相中のH2およびD2の移動度は、均一な固体となるには遅すぎたからである。液相および固相中のH2-D2混合物の組成は、その場屈折率測定により経時的に評価することができた。結論として、屈折率測定は、核融合炉における固体D-T燃料の検査方法として大きな可能性を示す。