線量率

線量率（dose rate）とは、放射線被ばくする対象の単位時間あたりの吸収線量をいい、核融合炉の文脈ではとりわけ運転停止後に生じる「停止後線量率（shutdown dose rate, SDR）」が設計上の中心課題となる。D-Tプラズマから放出される高エネルギー中性子は材料を放射化し、生成した放射性核種が崩壊してガンマ線を放出するため、プラズマを止めた後も炉内は強い放射線場に保たれる。この線量率を正確に予測することは、定期保守や不測の事態における作業員の被ばく評価、機器の耐放射線設計、そして規制認可のための安全審査に不可欠であり、核融合中性子学解析の代表的なエンドポイントとみなされている。

停止後線量率の物理的起源

D-T核融合で生じる約14 MeVの中性子は、第一壁・ブランケット・真空容器・ポート構造などの材料中で核反応を起こし、さまざまな放射性核種を生成する。運転停止後、これらの核種が崩壊する際に放出するガンマ線が停止後線量率の源となる。線量率の大きさと時間変化は、生成した核種の種類と半減期、材料組成、そして運転履歴（中性子フルエンスと照射・冷却スケジュール）によって決まる。半減期が短い核種は停止直後の線量率を支配し、長寿命核種は数週間から数年スケールの線量率を担うため、保守作業の想定時期に応じて支配的な寄与が移り変わる。実際、中性子発生装置を用いた模擬実験では、停止後3週間にわたり線量率が数桁にわたって減衰する様子が測定されており、短時間冷却では線量率が急峻に落ちる一方、数日以降は半減期の長い核種の寄与が顕在化する。このため解析では、照射履歴と冷却時間を明示して崩壊生成物のインベントリを追跡する必要がある。

計算手法：R2SとD1S

停止後線量率の計算には、厳密2段階法（Rigorous 2-Step, R2S）と直接1段階法（Direct 1-Step, D1S）という二つの主要手法がある。R2S法では、まずモンテカルロ輸送計算で中性子フルックスとスペクトルを求め、次にインベントリ計算コード（FISPACT系など）で各領域の放射性核種分布と崩壊ガンマ線源を評価し、最後にそのガンマ線源を用いた光子輸送計算で線量率を得る。新古典輸送・核種生成・光子輸送という三つの物理過程を独立に解くため、複雑な三次元幾何や長い冷却時間でも一貫した精度が得られる一方、計算コストが高く、コード間のデータ受け渡しの自動化が課題となる。D1S法は、新古典輸送計算の過程で崩壊ガンマ線の生成を直接扱うことで一段階に統合し、計算を効率化するが、専用のコード拡張とデータライブラリの整備を要する。

R2S法の典型的なワークフローは、利用者がメッシュ・材料・照射スケジュール・冷却時間を入力すると、新古典輸送ソルバが反応率を算出し、活性化ソルバが活性化物質インベントリを評価し、そこから崩壊生成物ガンマ線源を構築し、最終的に光子輸送ソルバが停止後線量率を出力する、という一連の流れで構成される。この流れを示したのが次の図である。