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 Z ピンチ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。

核融合性能の指標としての中性子収率

中性子は燃料イオン一つ一つの融合反応に対応して一個ずつ生まれるため、単位時間あたりの中性子放出量(中性子収率)は核融合出力にほぼ比例する。燃焼プラズマ運転では、この収率をリアルタイムで監視して出力を制御することが不可欠であり、例えば JET の重水素・三重水素キャンペーンでは、生成中性子の総数が運転計画の枠組みとして管理され、その測定が運転の要とされた。総収率は核分裂検出器(フィッションチェンバー)などで連続的に測られ、中性子活性化測定による較正と組み合わされる。

収率が高いほど良いという単純な話ではない点も重要である。同じ総収率でも、それが熱–熱反応由来なのか、ビーム–熱反応由来なのかで意味が異なる。ビーム加熱だけに依存する収率は、自己組織的な熱核燃焼の証拠にはならないからである。このため総収率に加えて、反応種の内訳をスペクトルやモデル計算から見積もることが、装置の性能評価では標準的な手順となっている。

中性子放出分光と高速イオン診断

放出中性子のエネルギースペクトルを高分解能で測るのが中性子放出分光である。ビーム–熱反応が支配的な重水素プラズマでは、スペクトルの形状(幅、シフト、非対称性)が高速イオンの速度分布を直接反映する。熱運動によるドップラー幅からイオン温度が、スペクトル全体のシフトからプラズマ回転が、そして MeV 級の高速イオンの寄与はスペクトルの高エネルギー側の裾として現れる。NBI と高調波イオンサイクロトロン加熱(ICRF)を組み合わせると、有限ラーモア半径効果によって重陽子が MeV 級まで加速され、燃焼プラズマのアルファ粒子の実験的代替物となる。このような「3イオン加熱」シナリオや NBI–ICRF 併用加熱のプラズマで、中性子分光は高速イオン分布の変化を追う主要な診断となってきた。

図は EAST における中性子スペクトロメータの配置と補助加熱系の模式図である。トカマク真空容器の周囲に複数のスペクトロメータ(TOFOR、Stilbene 検出器、BC-501A、EJ-301)が異なる視線方向に置かれ、NBI と ICRF の加熱ビームの位置とともに示されている。視線方向を変えて測ることで、速度分布の平行成分と垂直成分を別々に感度よく捉えられる。

測定信号と速度分布の関係は、重み関数を用いて定式化される。測定量は高速イオン分布関数の線形汎関数として書けるので、重み関数は「あるエネルギー・ピッチ角のイオンがどれだけこの測定に寄与するか」を与える。これにより、個々の測定が共通通過軌道・逆行軌道・閉じ込められない軌道など、どの種類の高速イオン軌道に敏感かを分解できる。さらに複数の視線方向の測定を組み合わせれば、速度空間トモグラフィーによって二次元の高速イオン分布そのものを再構成できる。JET の重水素・三重水素プラズマでは、この手法によって MeV 級燃料イオンの分布再構成が実際に行われた。

中性子放出プロファイルとカメラ

総収率だけでは、プラズマのどこで反応が起きているかは分からない。そこでコリメータで細い視線方向を切り取り、複数方向の線積分放出率を測る中性子カメラ(プロファイルモニタ)が主要装置に備わっている。線積分データから放出率の空間分布を逆問題として解くには、チコノフ正則化、最小フィッシャー情報、最大エントロピー、最尤法などのデコンボリューション手法が用いられる。イオン分布がマクスウェル型で磁気面対称なら問題は一次元に縮約でき、ITER の放射方向中性子カメラでは約10 ms の時間分解で放出率プロファイルをリアルタイムに再構成し、燃焼制御に用いることが計画されている。

図は JET 中性子カメラの視線方向配置を、磁場等高線と第一壁とともに示したものである。垂直方向と水平方向の二つの扇状のコリメータ群がプラズマ断面を貫き、各番号のチャネルが異なる動径位置の線積分を測る様子が分かる。

プロファイル測定の真価は、高速イオンの時間・空間的な再配分を捉える点にある。鋸歯状振動(ソートゥース)のクラッシュでは中心部の高速イオンが一斉に排出され、カメラの中心チャネルの信号が急落する。フィッシュボーンや長寿命の MHD モードでは、高速イオンの損失がバースト的あるいは連続的に現れる。共鳴磁気摂動や電荷交換も高速イオンの閉じ込めを変え、中性子放出に直接反映される。

図は JET 放電における中性子モニタによる規格化中性子率と、カメラの中心近傍の2チャネル(チャネル#4 と #15)の信号の時間変化である。灰色の破線で示された鋸歯状クラッシュのたびに、中心を通るチャネルの信号が鋸歯状に変動しており、高速イオンの排出が空間分解されて観測されている。

モデリングと解釈

中性子放出の定量的な解釈は、プラズマ輸送・高速イオン生成の統合モデリングと結びついて行われる。標準的な計算連鎖では、TRANSP コード(NUBEAM モジュール)が NBI や高周波加熱による高速イオンの生成・減速・損失を計算し、その分布関数から中性子スペクトルが合成され、さらに中性子輸送コード(MCNP)によって検出器までの飛行を扱う。こうして得られる合成測定値を、フィッションチェンバーの総収率、カメラの放出率プロファイル、飛行時間型スペクトロメータのスペクトル、活性化測定という複数の独立した診断と突き合わせることで、モデル全体の妥当性が検証される。

解釈上の注意点も明らかになっている。ビーム–熱反応が支配的でないと線形関係の前提が崩れ、重み関数に基づく解析の適用が難しくなる。また D–D 以外の反応、すなわちトリトン燃焼による DT 中性子や不純物を介した反応は、総収率の数パーセントに達し、活性化測定では支配的寄与となることさえある。さらに測定器自体の感度には速度空間の偏りがあり、ある種の高速イオン軌道が特定の診断からまったく観測できない「見えない領域」が存在しうる。このため重み関数解析によって、測定値の減少や増加がどの軌道種の変化に起因するかを分解する手法が、速度空間トモグラフィーやパラメータスキャンよりも高速で解釈しやすい代替手段として整備されてきた。小型パルス放電装置の分野でも、収率の放電間再現性の統計的評価や、電極配置・ガス組成が収率に与える影響の系統的解析が進められており、装置の規模を問わず「測定された中性子が何を語っているか」を突き止めるモデリングが共通の基盤となっている。