中性子照射

中性子照射とは、核分裂炉や核融合炉の環境に存在する高エネルギー中性子を材料に当てることであり、その結果として材料内部に生じる原子レベルの損傷、核変換、そしてそれに起因する物性変化の総体を指す。核融合炉では重水素－三重水素(D-T)反応に伴って約14 MeVの中性子が大量に放出されるため、炉内の構造材料、プラスマ対向材料、超伝導磁石、計測器のすべてがこの照射にさらされ、それが部材寿命を律する主要因の一つとなる。核融合研究において中性子照射は、材料開発・評価の中心的な試験条件であり、同時にトリチウム増殖のような炉心核特性の検証手段でもある。

核融合環境における中性子照射

D-T核融合反応はアルファ粒子(ヘリウム核)と14.1 MeVの中性子をほぼ等分のエネルギーで生む。荷電粒子は磁場に閉じ込められる一方、中性子は電荷を持たないため磁場の影響を受けず、そのまま第一壁・ブランケット・遮蔽体に飛び込む。このため核融合炉のエネルギーの大部分(約8割)は中性子の運動エネルギーとして炉構造に持ち込まれ、そこで熱に変換されると同時に、材料に深い損傷を与える。核分裂炉の中性子が平均2 MeV程度であるのに対し、核融合中性子は約14 MeVと一桁近く高く、核変換(後述)の寄与が格段に大きい点が核融合材料研究を特徴づけている。

炉内での中性子負荷は場所によって大きく異なる。ダイバータ近傍の炉内構造では数年間の運転で10²⁰ cm⁻²オーダーの高速中性子フルエンスに達するのに対し、炉外の計測器ではフルエンスが数桁低くなる。この空間的な勾配は、中性子輸送計算によって各部材の暴露条件として定量化され、材料試験の目標フルエンスや損傷量(dpa、後述)の設定に使われる。計測器のような機器では、半導体素子がイオン化線量と中性子フルエンスに対して脆弱であるため、金属感応層を持つホールセンサなど耐放射線性の高い素子の開発と、実フルエンスでの照射試験による検証が進められている。

変位損傷と欠陥生成

中性子が材料中の原子核と弾性衝突すると、格子内の原子が弾き出され、いわゆる一次はね原子(PKA、primary knock-on atom)が生じる。このPKAが持つ運動エネルギーは数keVから数十keVに及び、その原子が格子内を飛びながらさらに他の原子を次々にはね出す「カスケード」と呼ばれる連鎖衝突を引き起こす。カスケードの終息後には空孔と格子間原子の対(フレンケル対)が大量に残り、これらが拡散・合体して転位ループ、ボイド、クラスターなどの欠陥組織を形成する。材料が受ける損傷量は、各原子が弾き出された回数の平均としてdpa(displacements per atom、原子当たり変位回数)で表され、核融合炉の構造材では数十dpaに達する設計寿命が想定される。