停止後線量

停止後線量(shutdown dose rate、SDR)とは、プラズマの運転停止後に、運転中に高エネルギー中性子によって放射化された材料から放出される崩壊ガンマ線による線量率のことである。核融合炉では D-T 反応で生じる 14 MeV 中性子が第一壁・ブランケット・ポート構造などを照射し、生成された放射性核種が崩壊しながらガンマ線を出すため、プラズマが止まっても装置内部には強い放射線場が残る。この線量率の正確な評価は、保守作業員の被ばく管理や装置の認可(ライセンス)申請に不可欠であり、ITER や DEMO 設計における核融合中性子工学の中核課題の一つとなっている。

停止後線量の物理：放射化と崩壊ガンマ

中性子が構造材料の原子核と反応すると、(n,γ)、(n,p)、(n,α) などの核反応を通じて放射性核種が生成する。これらの核種は半減期が数秒から数年に及ぶ幅広い範囲にわたっており、運転停止直後は短半減期核種(例えば ^56Mn など、半減期約 2.6 時間)が線量を支配し、時間の経過とともに長半減期核種(^60Co、数年)が相対的に重要になる。したがって停止後線量率は冷却時間(cooling time)の強い関数であり、数時間から数日で数桁も減衰する。

線量率の大きさを決めるのは、中性子スペクトル(高エネルギー成分はしきい値反応を起こしやすい)、材料組成(特に Co、Ni、Mn などの放射化しやすい元素の含有量)、そして照射履歴(運転スケジュール)である。このため停止後線量評価では、新古典輸送計算で得られた中性子スペクトルから核種の生成・崩壊(インベントリ)を解き、生成した核種の崩壊ガンマ線を線量点まで輸送して線量率に変換する、という多段階の計算が必要になる。新古典輸送、核種変換(燃焼・変換計算)、光子輸送という三つの物理過程が連成する計算であり、核融合核解析ツールチェーンの総合力を試す「ものさし」とみなされる。

計算手法：R2S と D1S

停止後線量計算には大きく二つの手法がある。一つは厳密二段階法(Rigorous 2-Step、R2S)で、まずモンテカルロ輸送コードで三次元の中性子フルックス分布とスペクトルを求め、次にインベントリ計算コードで各領域の放射性核種組成を評価し、最後に崩壊ガンマ源分布を用いて再びモンテカルロ光子輸送を行って線量率を得る。中性子計算と光子計算が独立しているため物理的に明快で、複雑な三次元幾何を持つ大型装置に適用できる。もう一つは直接一段階法(Direct 1-Step、D1S)で、中性子輸送の過程で同時に崩壊ガンマを輸送する。ライブラリのガンマ生成データを崩壊ガンマスペクトルに置き換える形で実装され、計算が一段階で済む利点があるが、専用のライブラリとコード改変を要する。