アルファ粒子

アルファ粒子（alpha particle）とは、重水素（D）と三重水素（T）の核融合反応

D + T → ⁴He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)

で生まれる、運動エネルギー 3.5 MeV のヘリウム4原子核である。熱核融合炉では、14.1 MeV の中性子がプラズマを素通りして壁へ持っていくのに対し、アルファ粒子は電荷を持つため磁場に閉じ込められ、そのエネルギーをプラズマに渡す。この自己加熱こそが、外部加熱に頼らず燃焼プラズマを維持する鍵であり、アルファ粒子の生成・減速・閉じ込め・損失を理解することは「アルファ粒子物理」として独立の研究分野を形成してきた。

図は JET で測定された 3.5 MeV アルファ粒子の損失軌道の解析例である。真空容器の断面の中に、ファラデーカップ検出器の位置から逆積分された損失軌道（青）と、その相対強度（赤〜マゼンタ）が重ねて示されている。このように、炉心で生まれたアルファ粒子がどの経路で壁へ逃げるかを一粒子ごとに追えることが、この分野の特徴である。

減速と自己加熱

アルファ粒子は生成直後、周囲の熱イオン（数 keV 程度）より約3桁も高い 3.5 MeV を持つ。このエネルギーは主に電子とのクーロン衝突で失われる。高エネルギー帯では電子への減速が支配的で、アルファ粒子の速度が熱イオンの速度程度に落ちると今度はイオンへの加熱が支配的になる。この減速は「スローダウン分布」と呼ばれる特徴的なエネルギー分布を形づくる。分布は生成エネルギーから低エネルギー側へほぼ E^{-3/2} に従って伸び、減速時間は炉心条件で数百ミリ秒から秒程度になる。減速で電子に渡されたエネルギーはさらに熱イオンへ伝わるので、結果としてアルファ粒子の加熱出力はプラズマ全体を維持する主要な熱源となる。外部加熱出力 P_ext（ext は外部の意）に対するアルファ加熱出力 P_α の比 Q は核融合のエネルギー利得を測る指標であり、燃焼プラズマでは P_α が損失を上回って温度を保つ「自己点火」が目標となる。

減速過程自体は古典的なクーロン散乱で記述でき、フォッカー・プランク（Fokker–Planck）型の速度空間計算で高精度に予測できる。実際、TFTR の D–T 実験では、磁気流体（MHD）的に静穏な放電でのアルファ粒子の閉じ込めと減速は、古典的な単粒子描像とよく一致した。問題は減速ではなく、後述する摂動による空間輸送の側にある。

閉じ込めと損失

アルファ粒子は 3.5 MeV という巨大なラーモア半径（数 cm）を持つため、磁場のわずかな非対称性が損失を生む。代表的な機構を以下に挙げる。

• プロンプト損失：生成直後の軌道がそのまま最外殻磁気面を横切る場合で、TFTR では 5〜10% 程度の損失が測定された。
• トロイダル場リップル：トカマクのコイルが離散的であることによる磁場の波打ちが、高エネルギー粒子の「リップルトラップ」や軌道拡散を引き起こす。
• 3次元摂動：強磁性材料（フェライト挿入や試験ブランケット）や ELM 緩和コイルなど、軸対称性を破る要素も損失源になる。ITER のシナリオでは、これらすべてを考慮しても MHD 的に静穏な背景での損失出力割合は約 0.2% に抑えられることが、独立な複数の粒子追跡コードで確認されている。一方、ELM 緩和コイルの磁場摂動は中性粒子ビームの損失を 0.3% から 4〜5% へと一桁近く増やすことが示されており、摂動の設計が粒子閉じ込めに直結する。
• MHD 活性：ティアリングモード、フィッシュボーン、ソートゥース崩壊などはアルファ粒子を再分布させ、損失を生じる。TFTR では MHD 起因の損失として 0.1〜10% の範囲の損失が観測された。

損失したアルファ粒子は高エネルギーを持つまま第一壁の局所に集中的な熱負荷を与えるため、単なる加熱効率の問題ではなく炉の健全性の問題でもある。損失軌道の種別を見ると、JET の解析例では損失の大半が「トラップされた（banana）」軌道によるものであり、共回り・反共回りの通過軌道は数%から十数%程度にとどまる。これは、損失が主にドリフト面から外れた捕捉軌道の性質で決まることを示している。

図は損失したアルファ粒子の軌道種別の内訳を示したもので、トラップ軌道が約9割を占め、共回り軌道が約1割、反共回り軌道は数%である。損失が特定の軌道種別に偏ることは、壁熱負荷の局所化を考える上で重要な情報となる。

波動・粒子相互作用：アルフベン固有モード

アルファ粒子は減速過程で空間分布に勾配を持つため、アルフベン速度に近い速度を持つ粒子群として、せん断アルフベン波を駆動する自由エネルギー源になる。トカマクでは、トロイダリティと楕円性による連続スペクトルのギャップの中に「トロイダルアルフベン固有モード（TAE）」をはじめとする各種のアルフベン固有モード（AE）が存在し、アルファ粒子の軌道周回周波数やバウンス周波数と共鳴することで不安定化される。

共鳴するアルファ粒子はモードの電磁摂動とエネルギーおよびトロイダル運動量を交換し、位相空間内で「島」状の輸送を受ける。モードが成長して十分な振幅に達すると、アルファ粒子分布が平坦化されて駆動力が飽和するが、複数のモードが重なると異常拡散的な輸送が起こりうる。燃焼プラズマでは、この輸送がアルファ加熱の局在化を崩し、壁負荷を増大させる懸念があるため、AE 駆動とその抑制は理論・シミュレーション・実験のいずれからも活発に研究されてきた。共鳴的な高周波（RF）場を印加して AE の駆動を弱める、という能動的な抑制の提案もある。

一方で、TFTR の D–T 実験では AE 活性に起因するアルファ損失は観測されず、AE による輸送が直ちに深刻な問題になるかは当時も今も慎重な評価を要する。近年の JET の DTE2 キャンペーンでは、アルファ粒子自身が駆動する TAE が観測され、そのモード構造とアルファ密度分布の重なりから駆動源が同定された。また、プラズマディスラプション後の電流クエンチ段階では、熱化しきらないアルファ粒子が残存して TAE を駆動しうることが示されており、AE は定常燃焼時だけでなく異常事象の際の粒子輸送にも関わる。

アルファ粒子の測定

アルファ粒子は電荷を持つ荷電粒子であるため、中性子とは違って磁場を使った直接測定が可能であり、この分野の実験的進展は診断技術の開発と歩調を合わせてきた。TFTR の D–T 運転（1993–1997）では、複数の新しいアルファ診断が導入され、数百発の D–T 放電で閉じ込めと波動・粒子相互作用が系統的に調べられた。

現代の主要な診断は高速イオン損失検出器（FILD）である。これは真空容器壁の一部を開口とし、損失した高エネルギー粒子をそのまま受け止める。代表的な実装が2種類ある。一つはシンチレータプローブで、入射粒子をシンチレータ板で発光させ、CCD カメラで損失フットプリントを撮像するとともに、フォトマルチプライヤ群で 2 MHz 級の高速時間分解測定を行う。撮像面上の位置は、局所磁場から計算された入射粒子のピッチ角とラーモア半径（すなわちエネルギー）に対応づけられる。もう一つはファラデーカップアレイで、導体箔と絶縁体を交互に積層した検出器を複数の極方向位置に並べ、粒子の侵入深さから粗いエネルギー情報を得る。分解能はシンチレータに劣るが、多点的な空間情報と 200 kHz 級の時間分解が得られる。

図はシンチレータプローブで撮像された損失フットプリントの実例である。横軸がピッチ角、縦軸がラーモア半径に対応し、赤〜緑の発光領域が損失した高速イオンの位相空間内の位置を示す。白枠は各フォトマルチプライヤが担当する領域である。

閉じ込められたアルファ粒子そのものについては、中性粒子分析器、ガンマ線、イオンサイクロトロン放射（ICE）などの間接的な診断が用いられる。ICE はアルファ粒子がイオンサイクロトロン周波数の高調波で駆動するコヒーレントな放射であり、そのスペクトルの分裂などからアルファ分布の情報が得られる。また、燃焼プラズマ向けにはヘリウムビームを用いたアルファ測定源の開発も進められている。

実験だけでは輸送の詳細は見えないため、解釈的輸送コード（TRANSP など）で得た平衡と高速イオン分布を初期値として、ガイディングセンター粒子追跡コード（ORBIT など）でモード摂動下の軌道を追い、その「キック」を確率行列として輸送シミュレーションに戻す、という統合モデリングが標準的な手法になりつつある。実験値で拘束されたモデルと測定の突き合わせが、ITER のような炉規模装置でのアルファ閉じ込め予測の信頼性を支える基盤である。