中性粒子入射

中性粒子入射（中性粒子ビーム入射、英: neutral beam injection、NBI）とは、水素あるいはその同位体のイオンを高電圧で加速した後、中性原子に変換してプラズマ中に注入する、磁場閉じ込め核融合研究における主要な加熱・電流駆動手段である。中性原子は磁場と相互作用しないため、プラズマを隔てる磁気面の内側まで素通りして飛び込み、そこで電離されてから磁場に捕らえられる。捕らえられた高エネルギー粒子はクーロン衝突によって背景プラズマのイオンと電子にエネルギーを渡す。この「荷電粒子をつくってから中性化する」という一見回りくどい方式は、電磁波加熱（電子サイクロトロン加熱やイオンサイクロトロン加熱）とは本質的に異なる性質を持つ。すなわち、イオン加熱と電流駆動に優れ、プラズマ回転や運動量を直接与え、かつビームの透過深さがエネルギーで制御できる点である。その一方で、大口径の注入ポートと広い設置空間を必要とし、装置が大規模・複雑になるという代償を伴う。現在の主要装置のほとんどがNBIを主加熱手段として採用しており、ITERでは1基あたり16.5 MW、1 MeVの重水素ビームを1時間注入する計画である。

原理とビームラインの構成

NBIの物理は単純な原理に基づいている。イオン源で生成した陽性または陰性のイオンを数十万から百万ボルトで加速し、ガスセル（中性化器）を通して電荷交換により中性原子に変える。中性原子は磁場の力を受けないので、プラズマの縁の磁気面を素通りして中心部まで到達し、そこで電離されて高速イオンとなる。高速イオンは磁場に沿って周回しながらクーロン衝突で減速し、そのエネルギーを背景プラズマに渡す。衝突の相手方の電子とイオンのどちらに多くエネルギーが渡るかは、高速イオンの速度と熱イオンの速度の比で決まる。ビームエネルギーが低い場合はが支配的で、電子温度が高いほど電子への加熱割合が増える。例えばのNBIでは、吸収電力の約8割が電子側に加熱された例が報告されている。