核融合生成物

核融合生成物（fusion product）とは、核融合反応によって生成する粒子の総称である。代表的なものは D-T 反応の生成物である 3.5 MeV のアルファ粒子（ヘリウム4核）と 14.1 MeV の中性子、D-D 反応の生成物である 1.01 MeV の三重陽子と 3.02 MeV の陽子、さらに D-3He 反応の 14.7 MeV 陽子などである。これらは反応の瞬間に数 MeV の運動エネルギーを与えられて生まれるため、背景の熱プラズマ（典型で数 keV 程度）より千倍近く高いエネルギーを持つ「超高エネルギー成分」として振る舞う。核融合生成物は燃焼プラズマの本質的構成要素であると同時に、プラズマ中での軌道・減速・損失の振る舞いがプラズマ性能と壁負荷を左右し、また逆にその観測がプラズマ内部の温度や電流分布を知る手がかりとなる。以下では、生成物のエネルギー付与、閉じ込めと損失、励起する集団不安定性、そして診断への利用という観点から概観する。

核融合生成物とは何か

核融合生成物を理解する出発点は、一つの反応で何がどこまでのエネルギーで生まれるかである。D-T 反応では、反応の Q 値（生成エネルギー）17.6 MeV がアルファ粒子と中性子に質量比でおよそ 1:5 に配分され、アルファ粒子が 3.5 MeV、中性子が 14.1 MeV を得る。帯電した生成物（アルファ粒子、陽子、三重陽子）は磁場に拘束されてプラズマ中を周回し、エネルギーを背景プラズマに渡していく。一方、中性子は磁場と相互作用せず、そのまま真空容器を貫いて外部の検出器に届く。この「帯電粒子は閉じ込められ、中性子は飛び出す」という二分法が、生成物研究の両輪（プラズマ加熱源としての側面と、診断手段としての側面）を形づくっている。

生成物のスペクトルがどのように決まるかは、空間スケールの階層で捉えると分かりやすい。個々の二体衝突では、入射イオンの相対速度と反応の Q 値から生成粒子のエネルギーが一意に決まり、単色のスペクトル線となる。しかし実際のプラズマでは入射イオンが速度分布を持つため、生成エネルギーは分布に応じた幅を持つスペクトルになる。さらにマクロには、プラズマの各流体要素が局所スペクトルを放射し、その流体速度によるドップラーシフトが重畳する。観測される全体のスペクトルはこれらの畳み込みであり、この階層構造こそが「生成物のスペクトルから入射イオンの速度分布を逆に読み取る」という診断の原理を与える。