アルファ粒子

核融合プラズマの文脈で「アルファ粒子」といえば、重水素–三重水素(D–T)核融合反応

D + T → ⁴He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)

で生まれる高エネルギーのヘリウム4原子核を指す。この 3.5 MeV の荷電粒子が磁場で閉じ込められ、背景プラズマ中で減速しながらエネルギーを渡すことで、外部加熱に頼らない「燃焼プラズマ」の自己加熱を担う。反応生成エネルギーの約 20% がアルファ粒子に与えられるため、プラズマの維持に必要な加熱電力をアルファ粒子だけで賄えるかどうかが磁気核融合の成否の核心であり、その生成・減速・軌道・損失・安定性への影響・計測はプラズマ物理学の一分野として独自に発展してきた。

核融合生成アルファ粒子と自己加熱

D–T 反応の生成物のうち中性子は磁場に閉じ込められずブランケットでエネルギー回収に回るが、アルファ粒子は荷電を持つため磁場に沿って運動し、コアプラズマ内に留まる。生成直後のエネルギーは 3.5 MeV で、背景の熱イオン(10–20 keV 程度)より二桁以上高く、このエネルギー差こそが自己加熱の原動力になる。アルファ粒子はまず電子との衝突でエネルギーを失い、電子が受け取った熱が一部はイオンに再分配される。したがって反応炉では主加熱源がアルファ粒子による電子加熱となり、現在の実験装置とは加熱の構図が根本的に異なる。

自己加熱は非線形な正帰還を含む。温度が上がると核融合反応率が増え、アルファ加熱が強まり、さらに温度が上がる。このフィードバックが輸送による熱損失と釣り合う点が燃焼点であり、温度分布・乱流輸送・アルファ加熱を自己無撞着に扱わないと出力予測ができない。JET の D–T 実験データを用いた統合シミュレーションでは、アルファ粒子を乱流計算の運動種として明示的に含めなくても、アルファ加熱を熱輸送方程式の熱源として落とすか否かで電子温度分布が約 1 keV 程度変わること、またこの条件ではアルファ粒子がイオン尺度乱流の輸送に直接与える影響は小さいことが示された。ただしこれはアルファ密度が比較的低い場合の話であり、ITER 級の密度までアルファ粒子濃度を上げると、外部加熱で作られる中速イオンで知られる乱流抑制や、逆にエネルギー粒子駆動不安定による閉じ込め劣化が現れる余地があり、抑制と不安定化のバランスはエネルギーも位相空間分布も大きく異なるアルファ粒子では単純に外挿できない。