核融合中性子

核融合中性子（fusion neutron）とは、核融合反応によって放出される中性子のことであり、特に重水素（D）と三重水素（T）の反応 D + T → ⁴He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) で生じる約14 MeVの中性子を指すことが多い。核融合炉のエネルギーはこの中性子の運動エネルギーとしてプラズマの外に持ち出されるため、中性子は炉心プラズマそのものと同じく核融合研究の中心的存在である。一方で中性子は電荷を持たず磁場で閉じ込められないため、そのまま周辺構造材やブランケットに飛び込み、エネルギーを熱として回収されると同時に、材料損傷や放射化という課題を生む。本項では、核融合中性子のスペクトル的性質、それを作り出す装置、中性子工学（ニュートロニクス）への応用、材料試験、そして計測という、この現象をめぐる主要な話題を概説する。

14 MeV D–T核融合中性子とそのスペクトル

D–T反応で放出される中性子のエネルギーは、反応のQ値（17.6 MeV）が生成核であるα粒子と中性子に運動量保存則に従って分配されることでほぼ決まる。重心系で両者は質量に反比例してエネルギーを分け合うため、中性子は約14.1 MeVを得る。このエネルギーは核分裂炉の中性子（平均約2 MeV）の数倍も高く、核融合固有の中性子環境を作り出している。

スペクトルの形そのものがプラズマ状態の診断手段になる点は重要である。反応するDとTが熱運動を持てば、中性子スペクトルはドップラー広がりを受け、その幅からイオン温度が、ピーク位置のずれから流体要素の流速が読み取れる。単一の流体要素から出るスペクトルはほぼガウス分布であるが、実際の燃焼プラズマでは温度や速度の異なる多数の流体要素の寄与が重なり、スペクトルに歪み（高次モーメント）が現れる。さらに燃焼プラズマの流速分布によっては、観測方向によって中性子の収量や平均エネルギーが異なる異方性が生じ、異なる視線方向に置いた測定器が異なるスペクトルを見る。また、圧縮されたコアでの中性子散乱は、燃料領域の温度・速度分布の相対的な重みを変える形でスペクトルを修飾する。このように中性子スペクトルは燃焼プラズマの「写像」であり、慣性核融合ではスペクトルの高次モーメントの測定が燃焼診断の有力な手段となっている。

核融合中性子を発生させる装置

核融合中性子源は、目的とする中性子強度・運転形態によって大きく異なる装置群で実現されている。

最も小規模なのが放電型・慣性静電型のコンパクト中性子源である。球状慣性静電閉じ込め装置の派生形では、真空容器内の円筒陰極と接地陽極の間に直流高電圧を印加してイオンを加速し、D–D反応による2.45 MeV中性子、あるいはD–T混合ガスによる14.1 MeV中性子を発生させる。装置全体が40 cm立方程度の可搬サイズであり、は加速器型源に比べて桁違いに小さいものの、源と試料の幾何配置を自由に選べるため、小規模な実験に適する。D–T反応のはD–D反応よりはるかに大きいため、D–T運転では中性子収量が二桁程度上がる。