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。

図は、核融合生成物のスペクトルが決まる過程を三つのスケールで示した模式図である。微視的スケールでは二種のイオン（水色と紫）の衝突により生成粒子（緑）が単色のスペクトル線として放出され、中間スケールでは入射イオンの速度分布の畳み込みによりスペクトルが幅を持ち、マクロ的スケールでは各流体要素のスペクトルがドップラーシフトを伴って加算される様子が描かれている。

プラズマ中での減速とエネルギー付与

D-T 燃焼プラズマでは、アルファ粒子が持つ 3.5 MeV のエネルギーを背景プラズマに渡すことが自己維持燃焼（点火）の条件となる。減速の機構はクーロン衝突であり、その効率は粒子の速度に強く依存する。高速の荷電粒子は主として電子に衝突してエネルギーを失い、速度が落ちて電子の熱速度程度に近づくと、今度はイオンへのエネルギー付与が優勢になる。この切り替わりの目安は臨界速度と呼ばれ、プラズマの電子温度と密度で決まる。したがって「アルファ粒子のエネルギーの何割がイオンに、何割が電子に渡るか」はプラズマ条件の関数であり、マクスウェル分布のプラズマに対しては解析的な式で精度よく予測できることが示されている。イオン温度が高いほど臨界速度が下がり、より多くのエネルギーがイオン（すなわち核融合反応の主体）に戻るため、高温プラズマほどアルファ加熱の効率が良い。

減速過程のもう一つの帰結が、反応率への影響である。エネルギーを持った生成物が背景イオンを散乱・加熱すれば、イオン分布の高エネルギー尾部が膨らみ、理論上は反応率が増幅されうる。しかし D-T、D-3He、D-D、触媒型 D-D の各燃焼サイクルについて自己無撞着なフォッカー・プランク方程式系で調べた結果では、この反応率増強は無視できるほど小さいことが分かっている。つまり減速過程はエネルギー分配を通じて燃焼条件を左右するが、反応率そのものを実質的に変えるほどの効果は持たない。また、減速中の生成物分布はピッチ角散乱（速度方向の散乱）によって変化し、閉じ込められた高速イオンの分布関数は半径方向にも速度空間にも強い非等方性・非一様性を保つ。特にピッチ角の余弦が小さい（速度が磁力線にほぼ垂直な）領域では散乱の影響が顕著であり、生成物分布を単純な等方分布で近似することはできない。

MeV 生成物の閉じ込めと損失

帯電した MeV 生成物は、背景熱イオンよりはるかに大きな軌道半径（ジャイロ半径）でトーラスを周回する。例えば 3.5 MeV のアルファ粒子のジャイロ半径は数 cm から十数 cm に達し、プラズマ断面の寸法と比べて無視できない。そのため、生成物の軌道が第一壁やダイバータ板に直接触れる「第一軌道損失」が原理的に存在する。トカマクの初期実験では、D-D 反応で生じる 1 MeV 三重陽子を二次元イメージングシンチレーション検出器で測定し、観測された損失が単純なローレンツ軌道計算による第一軌道損失の予測とほぼ一致することが確認された。ただし小さな主半径のプラズマや強い MHD 活動が存在する場合には、単純モデルからのずれが観からのずれが観測されている。

損失を増やす要因はいくつかある。第一に、トカマクのトロイダル磁場コイルの離散性に由来するリップル（磁場の周期的な凹凸）は、粒子を確率的に散乱して閉じ込めを悪化させる。この確率的リップル拡散は、ペレット電荷交換法などによる生成物検出の解釈にも影響を及ぼす。第二に、フィッシュボーンやソートゥースクラッシュといった MHD 摂動は、MeV 粒子を共鳴的に排出する。JET では爆発的フィッシュボーンによる生成物損失が完全軌道計算とドリフト近似計算の両方で解析され、またソートゥースクラッシュがビームイオンや生成物の三重陽子の分布に与える影響が測定されている。第三に、外部から印加した螺旋磁場のような静的摂動の効果も調べられているが、DIII-D での実験では生成物閉じ込めへの影響は弱いことが示された。これらの知見は、燃焼プラズマ設計においてアルファ粒子損失が壁熱負荷の上限を定める重要な制約であることを意味する。実際、トカマク第一壁への生成物衝突は材料損傷の観点から独立の研究課題となっており、また慣性核融合では生成物の磁場による閉じ込めが二次中性子スペクトルに影響するなど、閉じ込めの有無そのものが観測量を変える。

生成物が駆動する集団不安定性

MeV 生成物は単に減速するだけでなく、背景プラズマの波動を励起しうる。最も顕著な例がイオンサイクロトロン放射（ICE）である。TFTR や JET のトリチウム実験では、生成物とビームイオンのサイクロトロン高調波に一致する周波数の電磁波が観測された。この放射は、プラズマ外縁の赤道面付近で生成される。そこでは生成物が誕生直後の速度（アルファ粒子で約 1.3×10⁷ m/s）を保ったまま、ドリフトするリング状の鋭い速度分布を持つため、速いアルフェン／イオンベルンシュタイン波の高調波を駆動する磁音響サイクロトロン不安定性が成り立つ。

興味深いのは、同じ不安定性でも装置によって振る舞いが異なる点である。その鍵は誕生速度と局所アルフェン速度 c_A の比にある。TFTR のスーパーショット外ーショット外縁では誕生速度 < c_A（準アルフェン的）であり、この場合、生成物が等方的になるか少し熱化しただけで不安定性は消滅する。一方 JET の外縁では逆に誕生速度 > c_A（超アルフェン的）であり、分布が等方的でも幅が広くても不安定性が駆動できる。この違いが、JET で生成物駆動の ICE が TFTR より長く持続する理由として説明されている。観測された放射のスペクトルピークの分裂、高調波の相対強度、生成物密度へのスケーリング、放射源の局在などが線形不安定性理論の予測と整合し、放射強度の時間発展は生成物生成率から計算される成長率の時間発展に追従する。生成物駆動の ICE は、生成物の速度分布を遠隔かつ非侵襲に知る手段としても機能する。さらに、生成物が駆動するアルフェンサイクロトロン不安定性や、下部混成ドリフト不安定性を介した電子電流駆動の可能性など、生成物とプラズマ波動の相互作用は燃焼プラズマの輸送・加熱に影響しうる幅広い現象を含む。

診断としての核融合生成物

生成物研究のもう一つの柱は、生成物を「測ることでプラズマを知る」診断への利用である。中性子は磁場の影響を受けずにプラズマ外へ飛び出すため、中性子カメラによる放射率分布の測定や中性子スペクトル解析は、イオン温度や燃料密度を与える標準的手段となっている。帯電生成物については、プラズマから脱出する粒子のエネルギースペクトルや壁面上のフラックス分布から、プラズマ温度・密度・電流分布を逆算するという逆問題が定式化され、PLT トカマクでは局所イオン温度勾配の測定が実現した。測定手段としては、シンチレータによる損失イオンの二次元イメージング、核賦活法による損失粒子の積算計測、コインシデンス法、ガンマ線診断（帯電生成物が関与する核反応のガンマ線を利用）、CR-39 などの固体飛跡検出器などが用いられ、レーザー駆動核融合の生成物同定に向けて 0.1 MeV から 5 MeV 級のイオンに対する検出器較正も進められている。LHD ではヘリカル装置における生成物測定の準備が進められている。

慣性核融合では、生成物診断はさらに中心的な役割を果たす。NIF の重水素封入爆縮実験では、複数の二次核融合生成物（一次反応で作られた粒子が燃料中で引き起こす二次反応の生成物）を同時に測定することで、燃料の面密度 ρR、電子温度、混合（mix）を評価する手法が確立されている。二次生成物の収率比は燃料が圧縮・加熱された領域を生成粒子が横切る際の反応確率を反映するため、一次生成物だけでは得られない情報を与える。

ただし、生成物スペクトルから熱力学的なイオン温度を導く際には、入射イオンがマクスウェル分布にあるという仮定が置かれるのが通例である。この仮定は、衝撃波によるイオン運動論的効果や、生成物自身による燃料イオンの高エネルギー尾部への散乱（アップスキャッタリング）が効く状況では破れうる。実際、生成物スペクトルは反応物の速度分布の形、特にその高エネルギー尾部に敏感であり、非平衡分布・非等方分布（例えば NBI や ICRF 加熱で生じる異方性）の下でのスペクトル応答を一般に扱う理論が整備されつつある。診断の信頼性を左右するこの問題は、磁気閉じ込めと慣性閉じ込めの双方に共通する課題である。

生成物測定はまた、輸送理論の検証手段としても機能する。MAST では、中性子カメラと帯電生成物検出器アレイで独立に測定した D-D 反応率が、標準的な輸送コードによる予測より約 40% 低いという系統的な乖離が報告されている。この不足は運転条件に依存せず、電子温度や有効電荷、入射ビーム出力の不確かさでは説明できず、高速イオン軌道をガイディングセンター近似で扱うことによる放射率の過大評価が一つの説明として提案されている。生成物の測定値と予測値の突き合わせは、このように高速イオン軌道モデルの精度そのものを検定する手段にもなっており、燃焼プラズマの予測設計に向けた生成物研究の現代的な役割を示している。