Fusion power reactors will generate intense neutron fluxes into plasma-facing and structural materials (SMs). Radiation back-fluxes, generated from neutron–material interactions under these fluxes, can dramatically impact the plasma dynamics, e.g. by seeding runaway electrons during disruptions via Compton scattering of background electrons by wall-emitted gamma radiation. Here, we quantify these back-fluxes, including neutrons, gamma rays, and electrons, using Monte Carlo calculations for a range of SM candidates and first wall (FW) thicknesses. The radiation back-flux magnitudes are remarkably large, with neutron and gamma radiation back-fluxes on the same order of magnitude as the incident fusion neutron flux. Electron back-fluxes are two orders of magnitudes lower, but are emitted at sufficiently high energies to impact the sheath and boundary plasma dynamics. Material configuration plays a key role in determining back-flux magnitudes. The SM chiefly determines the neutron back-flux magnitude, while the FW thickness principally attenuates the gamma ray and electron back-fluxes. In addition to prompt back-fluxes, which are emitted immediately after fusion neutrons impact the surface, significant delayed gamma ray and electron back-fluxes arise from nuclear decay processes in the activated materials. These delayed back-flux magnitudes range from 2% to 7% of the prompt back-fluxes, and remain present during transients when fusion no longer occurs. During disruptions, build-up of delayed gamma radiation back-flux represents potential runaway electron seeding mechanisms, posing additional challenges for disruption mitigation in a power reactor compared with non-nuclear plasma operations. This work highlights the impact of these radiation back-fluxes plasma performance and demonstrates the importance of considering back-flux generation in materials selection for fusion power reactors.
核融合発電炉は、プラズマ対向材料および構造材料（SM）に強い中性子フラックスを生成する。これらのフラックス下での中性子–材料相互作用から生成される放射線後方フラックスは、プラズマダイナミクスに劇的な影響を与え得る。例えば、壁から放出されたガンマ放射線による背景電子のコンプトン散乱を介して、ディスラプション中に逃走電子をシーディングすることによって。ここでは、我々は、様々なSM候補および第一壁（FW）厚さに対してモンテカルロ計算を用いて、中性子、ガンマ線、および電子を含むこれらの後方フラックスを定量化する。放射線後方フラックスの大きさは極めて大きく、中性子およびガンマ放射線の後方フラックスは入射核融合中性子フラックスと同程度の大きさである。電子後方フラックスは2桁低いが、シースおよび境界プラズマのダイナミクスに影響を与えるのに十分高いエネルギーで放出される。材料構成は、後方フラックスの大きさを決定する上で重要な役割を果たす。SMは主に中性子後方フラックスの大きさを決定し、一方FW厚さは主にガンマ線および電子後方フラックスを減衰させる。核融合中性子が表面に衝突した直後に放出される即発後方フラックスに加えて、放射化された材料内の核崩壊過程から、顕著な遅延ガンマ線および電子後方フラックスが生じる。これらの遅延後方フラックスの大きさは、即発後方フラックスの2%から7%の範囲であり、核融合がもはや発生しない過渡状態の間も存在し続ける。ディスラプション中、遅延ガンマ放射線後方フラックスの蓄積は潜在的な逃走電子シーディング機構を表し、非核プラズマ運転と比較して発電炉におけるディスラプション緩和に対して追加の課題をもたらす。この研究は、これらの放射線後方フラックスがプラズマ性能に与える影響を浮き彫りにし、核融合発電炉の材料選定において後方フラックス生成を考慮することの重要性を示すものである。