中性子収量

中性子収量（neutron yield）とは、核融合反応によって1回の放電・1発のレーザー照射・1つのプラズマ放電列など、ある「単位」あたりに放出される中性子の数のことである。核融合反応の多くは中性子を伴い、しかも中性子はプラズマを閉じ込める磁場や反応容器の壁をほとんど減衰なしに透過するため、中性子収量は閉じ込められたプラズマの中で実際に起きた核融合反応の回数を直接教える、最も基本的な「物差し」である。したがって中性子収量は、単なる出力指標にとどまらず、プラズマのイオン温度・密度・閉じ込め性能を評価するための診断量としても使われる。図は、レーザーをデューテリウムクラスタに照射して円柱状の融合プラズマを作り、そこで起きる核融合反応をモデル化した様子である。プラズマが膨張する過程で高温のデューテリウムイオン同士が衝突して反応を起こす様子と、膨張した高温イオンが周囲の冷たい背景ガスと反応する様子が描かれており、中性子収量の発生源を模式的に示している。

定義と物理的な意味

核融合反応の単位体積・単位時間あたりの反応率は、反応する核種の密度の積に反応断面積をかけた形で書かれる。断面積は入射イオンの運動エネルギーに強く依存し、1 keV から 100 keV 程度の範囲では温度の上昇とともに急激に増大する。このため中性子収量は、プラズマの密度・体積・温度・閉じ込め時間という四つの量の積に敏感に依存する、きわめて非線形な量になる。DT反応では1反応あたり1個の中性子（エネルギー14.1 MeV）が、DD反応では約半分の反応から2.45 MeVの中性子が放出されるので、測定された中性子数を反応数に換算することは原理的に簡単である。

この性質ゆえに、中性子収量は装置の性能比較やスケーリング則の検証、放電ごとの再現性の評価に広く用いられる。一方で、収量が熱平衡的な核融合によるものか、それとも非熱的なイオン加速によるものかを区別する必要がある。後述のように、同じ収量でもその「来歴」によってプラズマの状態に関する情報はまったく異なるからである。

中性子の生成機構：熱核融合、ビーム・ターゲット、ビーム・ビーム

プラズマ中の核融合中性子の生成機構は、大きく三つに分けられる。第一は熱核融合（サーモニュークリア）で、マクスウェル分布に従う熱運動の中で高エネルギー側のイオン同士が反応を起こすものである。この場合、中性子のエネルギースペクトルは反応の運動学から予測される幅をもち、その幅からイオン温度を直接求めることができる。

第二はビーム・ターゲット機構である。プラズマ中で加速された高エネルギーイオンのビームが、静止（あるいは低温）のデューテリウム原子やイオンと衝突して反応を起こす。プラズマフォーカスのような装置では、ピンチ形成時に生じる電場や不安定性がイオンを加速するため、中性子の大部分がこの非熱的機構で生成されると広く考えられている。実際、プラズマフォーカスの収量を純粋に熱核融合機構でモデル化する試みは限定的で、ビーム・ターゲット機構を組み込んだ数値モデルのほうが実測の収量のガス圧依存性をよく再現する。第三はビーム・ビーム機構で、加速されたイオン同士が正面から衝突する場合である。レーザークラスタ融合実験では、レーザー照射直後の高温イオン同士の反応がビーム・ビームに相当し、プラズマが膨張して高温イオンが周囲の冷たい背景ガスを掃きながら反応する過程がビーム・ターゲットに相当する。この二つの寄与を分離して評価することが、収量のスケーリングを正しく理解する鍵となる。

生成機構の違いは、中性子のエネルギースペクトルや角度分布、放出の時間構造に現れる。熱核融合であれば等方的で比較的単純なスペクトルを与えるのに対し、ビームを含む機構では異方的で高エネルギー側に裾を引くスペクトルとなる。このため収量の測定とあわせてスペクトル測定を行うことで、反応が熱的なものか非熱的なものかを判別できる。

磁気閉じ込め装置における中性子収量

トカマクなどの磁気閉じ込め装置では、中性子収量はプラズマの核融合性能を表す中心的な指標である。重水素プラズマではDD反応による2.45 MeV中性子が、DT運転では14 MeV中性子が主な観測対象となる。収量は中性子カメラ（コリメータを通してプラズマ断面を複数視線で観測する検出器群）や中性子発生モニタによって測定され、視線ごとの中性子放射強度の分布から反応率分布を再構成することで、イオン温度や密度分布の診断に使われる。JETのような大型装置では、中性子カメラを用いた重水素プラズマおよびDTプラズマの収量推定が標準的な診断となっている。

次世代装置であるITERでは、中性子発生モニタとして微小核分裂箱（マイクロフィッションチャンバ）の採用が提案されている。これはウランの核分裂反応を利用した検出器で、10^10 という広い動的範囲と1 ms程度の時間分解能をもち、炉壁近傍の強磁場中で動作する。DT運転に向けた中性子検出器の炉内校正では、ダイヤモンド検出器が校正用中性子源の収量モニタとして用いられるなど、収量測定系そのものの校正が重要な技術課題となっている。また、収量の総量に基づく制約条件を中性子放射率分布の再構成に組み込む手法も研究されており、収量測定は空間分布診断の信頼性を支える役割も担う。

DT運転に先立つ重水素運転の段階では、核融合生成中性子以外に、高エネルギー粒子やプラズマ加熱装置との相互作用で生じる「超熱イオン」による寄与が収量に影響しうる。超熱イオンはマクスウェル分布から外れた高エネルギー尾部を形成し、DD反応の断面積が急峻に増大する領域ではわずかな尾部の存在でも収量を大きく変えるため、収量を性能指標として解釈する際にはこの寄与の評価が不可欠である。

慣性閉じ込めとプラズマフォーカスにおける中性子収量

慣性閉じ込め核融合（ICF）では、レーザーや間接加熱（ホールラウムによるX線照射）でDT燃料を極短時間に圧縮・加熱し、その一瞬に生じる核融合反応の総数が中性子収量として現れる。米国NIFのような大規模装置では、ミリメートル径の球状カプセル内のDT燃料を爆縮し、1発あたり10^16 個を超える中性子収量が達成されている。収量を高めるには爆縮の効率と燃料の圧縮度が鍵であり、たとえばダイヤモンド（高密度カーボン）アブレータは従来のプラスチックアブレータより密度が高いため、より短いレーザーパルスと高い爆縮速度を可能にする。ただし短パルス・高強度の駆動は1.8 keV以上の硬X線を発生して燃料を予熱し圧縮を阻害するため、タングステンなどX線吸収端がこのエネルギーに合ったドーパントをアブレータに添加して予熱を抑える技術が開発されている。図は、そのようなタングステン添加ダイヤモンドアブレータ殻とDT燃料の断面構造を示したものである。外側から未ドープ層、0.3原子パーセントのタングステンを含むドープ層、未ドープ層と積層され、内側にDT氷層とDTガスが配置されている。

一方、プラズマフォーカスは小型で安価なパルス中性子源として、デューテリウム放電によるDD中性子の研究が長く続けられている装置である。収量は放電電流や充填ガス圧に強く依存し、最小級のフィリッポフ型装置でのプラズマ電流と収量の相関、電極構造の変更（陽極先端に円錐状のチップを置くなど）による収量増大、絶縁体の汚染が収量に与える影響など、装置条件と収量の関係が広く調べられてきた。収量の圧力依存性には最適値があり、これは初期圧力が高すぎるとピンチ形成が阻害され、低すぎると密度が足りなくなるためである。数値モデル（リー・モデルコードなど）では、まず計算された電流波形を実測波形に合わせて装置を較正し、その後パラメータを調整せずに収量の圧力依存性を計算する手法が用いられ、実測との一致が確認されている。

レーザーを用いた小規模な実験系では、デューテリウムクラスタや成形ターゲットへのレーザー照射によるDD融合が研究されており、1 Jあたり10^5 から 10^6 個程度の中性子発生が実証されている。これらは大規模施設を要しないパルス中性子源として、ラジオグラフィや時間分解分光への応用が期待されている。

スケーリング則と収量の測定

中性子収量が装置開発の指標である以上、それを入力エネルギーや電流などの制御可能な量で予測するスケーリング則の確立が中心的な課題となる。慣性閉じ込めでは、レーザー入射エネルギー E に対する収量のべき乗則 Y ∝ E^β が古くから議論されてきた。実験報告されているべき指数は装置や条件によって異なり、小規模レーザー実験では E^1.6 から E^2.3 程度の範囲の値が示されている。理論的にも指数は1.2から2.0の範囲で報告が分かれており、この不一致の原因は、収量が密度・温度・膨張時間など相互に相関の強いパラメータの非線形な関数であることにある。近年の系統的な解析では、ビーム・ビーム反応とビーム・ターゲット反応を分離して評価することで、10 keV以上の温度領域ではほぼ線形（指数1程度）に近いスケーリングが得られることが示されている。図は、レーザークラスタ融合実験における中性子収量とレーザーパルスエネルギーの関係を両対数で示したものである。0.1 J から 100 J を超える広い範囲にわたる複数の実験点が、Y = 1.1×10^5 E^1.05 というほぼ線形の実験フィットに沿って並んでいる。

プラズマフォーカスでは、蓄積エネルギーやピンチ電流を変数としたDD中性子収量のスケーリング則が、数十kJ級までの複数の装置のデータから導かれている。ピンチ電流が収量を最も強く支配する量であり、装置設計において目標収量から必要な電流・エネルギーを見積もる基礎として用いられている。

測定の面では、収量は装置の外側に置いた検出器（核分裂箱、半導体検出器、活性化法による箔の放射能測定など）で求められるのが標準である。活性化法では中性子照射によって生成する放射性核種の放射能から絶対収量を求めることができ、酸化物標的を用いたDT中性子の収量測定が大型装置で行われている。ただし中性子は壁や構造物で散乱されるため、測定系の校正には中性子輸送計算が不可欠であり、校正用中性子源の保持具での散乱の評価なども行われる。磁気閉じ込め装置では運転中に校正ができないため、DT運転前に炉内で中性子源を用いた校正を実施するのが通例である。このように、中性子収量という単純な量の背後には、生成機構の解釈から測定系の絶対校正に至るまで、幅広い物理と技術が組み込まれているのである。