ヘリウム

ヘリウムは原子番号2の希ガスであり、核融合研究において三つの異なる顔を持つ物質である。第一に、重水素–三重水素(D-T)燃焼で生成するアルファ粒子(ヘリウム4核)として、プラズマの自己加熱源であると同時に、燃焼を維持するために除去しなければならない「灰」でもある。第二に、沸点4.2 Kという極低温特性を生かして、超伝導磁石の冷却やブランケットの熱輸送媒体として、炉の動力系統を支える冷却材である。第三に、中性ヘリウム原子の発光線を利用したプラズマ辺縁診断や、ヘリウムプラズマそのものを用いた材料研究の対象である。以下では、この三つの側面を順に述べる。

融合炉内のヘリウム：灰、排気、燃焼条件

D-T反応で1回の融合が起きるごとに、17.6 MeVのエネルギーのうち約3.5 MeVを担うアルファ粒子が1個生成する。アルファ粒子は荷電しているため磁場に閉じ込められ、プラズマ中で減速しながらエネルギーを電子とイオンに渡す。この自己加熱が点火条件の中核を成すが、減速を終えたアルファ粒子はもはや反応に寄与しない「灰」であり、放置すれば電子密度を希釈し、輻射損失を増やして燃焼を止める。したがって定常燃焼プラズマでは、融合出力に比例したヘリウム生成率と釣り合う排気(ash exhaust)が必須である。

この要求は、アルファ粒子の閉じ込め時間τ_αとエネルギー閉じ込め時間τ_Eの比として定量化できる。定常状態のヘリウム濃度はこの比にほぼ比例し、点火したD-Tプラズマを維持するにはこの比が濃度に応じておおむね10から15以下に保たれる必要があることが示されている。つまり粒子閉じ込めがエネルギー閉じ込めからあまり乖離していない運転領域が求められ、これがヘリウム排気効率の下限を規定する。反応ではアルファ粒子あたりの生成エネルギーに対する灰の負担がさらに重く、要求はD-Tの場合の3〜4倍厳しくなる。ヘリウム灰の輸送と排気は、トカマクではコアから・への輸送、でのポンプ排出という一連の流れとして扱われ、ヘリウムはより高いイオン化エネルギー(24.6 eV)を持つため、辺縁での再循環・排気挙動が水素とは異なる。ヘリウム灰の蓄積は炉心でも重要な設計課題であり、コア輸送と確率的辺縁層での排気を結びつけて評価する研究が続けられている。