中性子放出

中性子放出とは、核融合反応や核反応によって高エネルギーの中性子がプラズマから放出される現象である。核融合研究において中性子は、燃料イオンの反応で直接生まれる唯一の粒子のひとつであり、磁場や真空容器をほとんど遮られずにプラズマの外へ飛び出してくる。このため放出される中性子の量、空間分布、エネルギースペクトルを測ることは、プラズマ内部で起きている核反応と高速イオンの振る舞いを外部から直接知る、数少ない手段となる。トカマクのような閉じ込め装置からスパーク放電に近い小型装置まで、中性子放出は核融合プラズマ研究全般にわたる共通の観測対象である。

物理的起源と反応チャネル

核融合プラズマで中性子を生む主な反応は二つある。第一は重水素(D)同士の反応 D(d,n)³He で、約2.45 MeV の中性子を放出する。第二は重水素と三重水素(T)の反応 D(t,n)⁴He で、約14.1 MeV の中性子を放出する。後者は断面積が大きく、第一世代の核融合炉が重水素・三重水素燃料を想定する理由であり、燃焼プラズマではこの14 MeV 中性子が主な生成源となる。重水素プラズマでは D–D 反応が主だが、D–D 反応で生じた三重水素がさらに反応する「トリトン燃焼」による DT 中性子や、不純物を介した反応(例えばベリリウム上の ⁹Be(d,nγ)¹⁰B)が総収率の数パーセント程度を占めることがあり、測定の解釈では無視できない。

反応の相手方の性質によって、中性子の性質が変わる。熱化したイオン同士の反応(熱–熱反応)では、中性子スペクトルはイオン温度を反映した幅をもち、ほぼ等方的に放出される。一方、中性子ビーム入射(NBI)や高周波加熱で作られた高速イオンが熱イオンと反応する「ビーム–熱反応」は、高速イオンのエネルギーと進行方向をスペクトルと異方性に直接刻む。このため放出中性子は単なる「反応量の計量器」ではなく、高速イオン分布関数の情報を運ぶキャリアでもある。

トカマクとは異なる装置でも中性子放出は中心課題である。プラズマフォーカスや のようなパルス放電装置では、ピンチ圧縮で生じた高温高密度領域から短いパルスの中性子が放出される。ここでは熱核反応に加えて、電場で加速された重陽子ビームが背景プラズマと反応する非熱的機構が大きく寄与し、放出の等方成分と異方成分の分離、放電ごとの再現性、電極形状や希ガス混入の影響などが研究されてきた。例えば D₂ 放電にクリプトンやネオンを少量混ぜると放射冷却によって圧縮が強まり、装置の最適化状態に応じて中性子収率が増減することが報告されている。