This paper considers a fast track to non-energy applications of nuclear fusion that is associated with the 'fusion for neutrons' (F4N) paradigm. Being a useful product accompanying energy, fusion neutrons are more valuable than the energy released in DT reactions and they are urgently needed for research purposes and to develop and validate modern technologies. In the near future neutron yield in fusion devices will become significantly larger than that of fission and accelerator sources. This paper describes a compact tokamak fusion neutron source based on a small spherical tokamak (FNS-ST) with a MW range of DT fusion power and considers the key physics issues of this device. The major and minor radii are ∼0.5 and ∼0.3 m with magnetic field ∼1.5 T, heating power less than 15 MW and plasma current 1–2 MA. The production rate of DT neutrons of (3–10) × 1017 n s−1 and their flux at the first wall of 0.2 MW m−2 ensure that the device is capable of fusion–fission demonstration experiments. The problems of major concern are discharge initiation, current drive, plasma—fast ion beam stability and high first wall and divertor loads. The conceptual design provides solutions to these problems and suggests the feasibility of the FNS-ST.
本論文は、核融合の非エネルギー応用への迅速な道筋を考察するものであり、「中性子のための核融合」（F4N）パラダイムに関連する。エネルギーに付随する有用な生成物として、核融合によって生じる中性子は、DT反応において放出されるエネルギーそのものよりも価値が高い。これらの中性子は、研究目的や現代技術の開発・検証のために緊急に必要とされている。近い将来、核融合装置からの中性子収量は、核分裂炉や加速器源によるものを大幅に上回るだろう。本論文は、小型球状トカマクに基づくコンパクトな核融合中性子源（FNS-ST）を記述し、メガワット級のDT核融合出力を想定した場合の主要な物理的課題を検討する。主要半径および副半径はそれぞれ約0.5 mおよび0.3 m、磁場強度は約1.5 T、加熱電力は15 MW未満、プラズマ電流は1〜2 MAである。DT中性子の生成率は(3〜10) × 10¹⁷ n/sに達し、第一壁における中性子束は0.2 MW/m²となることから、本装置は核融合−核分裂ハイブリッド実証実験に十分な能力を有する。主要な懸念事項は、放電開始、電流立ち上げ、プラズマ−高速イオンビームの安定性、ならびに第一壁およびダイバータへの高負荷である。本概念設計はこれらの課題に対する解決策を提示し、FNS-STの実現可能性を示唆するものである。