点火

点火とは、核融合プラズマにおいて融合反応で生じた生成物がもたらす加熱が、放射損失や熱伝導損失を上回り、外部からの加熱なしにプラズマが自発的に高温を維持・増大する状態のことである。熱核融合研究における中心的な目標がこの状態の実現であり、磁場閉じ込めと慣性閉じ込めという二つの主要なアプローチのいずれでも、点火条件を満たすことが最終的な関門とされてきた。重水素と三重水素の融合反応 D + T → n (14.1 MeV) + α (3.5 MeV) では、帯電したα粒子がプラズマ中にエネルギーを預けるのに対し、中性子は逃げてしまうため、自己加熱の主役はα粒子である。点火に至れば反応率が温度の上昇とともに急増する熱核的不安定性が働き、燃焼が周囲の燃料へ伝播していく。

点火とローソン条件

自己加熱が持続するために必要な条件は、プラズマの密度、温度、閉じ込め時間の組み合わせで表され、ローソン条件と呼ばれる。その物理的な意味は単純である。α粒子が単位体積あたり単位時間に付与するエネルギーは密度の二乗に比例し、一方で損失は熱伝導と放射によって決まる。密度と温度が高く、エネルギーを長く閉じ込められるほど、生成と損失の収支が黒字に向かう。重水素–三重水素燃料では、イオン温度が約10 keV（約1億度）を超え、密度と閉じ込め時間の積が一定値を超えたあたりで条件が満たされる。この「三重積」が融合研究の進捗を測る共通の物差しとなってきた。

慣性閉じ込めでは、閉じ込め時間が極めて短いため、条件は燃料の面密度 ρR（密度と半径の積）と温度で書き換えられる。中心に形成された高温の「ホットスポット」がα加熱で自己加熱を始め、周囲の高密度低温燃料へ燃焼波を伝播させるには、ホットスポットの温度と面密度が臨界線を越える必要がある。この臨界線はホットスポットのエネルギー収支モデルから求められ、温度が低いほど必要な面密度が急増する。図は、ホットスポットの自己加熱が成立する領域と点火領域を温度–面密度平面上に示したものであり、α粒子加熱のみを考慮した場合と、14.1 MeV中性子の一部がホットスポットにエネルギーを預ける場合を比較している。中性子は電気的に中性のためクーロン衝突でなく核弾性散乱でエネルギーを渡すが、その平均自由行程は点火級燃料の面密度より大きく、通常は無視できる。ただし高利得級の大面密度燃料では中性粒子ビーム加熱が無視できなくなり、必要面密度を下げる方向に働く可能性が示されている。