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無中性子核融合とは、放出されるエネルギーのごく一部しか中性子によって運ばれない核融合発電の形態を指します。最も低い閾値の核融合反応では、エネルギーの最大80%が中性子の運動エネルギーとして放出されますが、無中性子核融合反応では、エネルギーは荷電粒子（通常は陽子またはアルファ粒子）の運動エネルギーとして放出されます。無中性子核融合が成功すれば、有害な電離放射線、中性子放射化、原子炉の保守、生物学的遮蔽、遠隔操作、安全対策など、中性子放射線に関連する問題を大幅に軽減できます。
荷電粒子のエネルギーを電気エネルギーに変換する方が、非荷電粒子のエネルギーを電気エネルギーに変換するよりも簡単なので、中性子なし反応は電力システムにとって魅力的です。一部の支持者は、エネルギーを直接電気に変換することで、遮蔽が難しい中性子からの放射線を排除できるだけでなく、コストを大幅に削減できる可能性があると考えています。[ 1 ] [ 2 ]しかし、中性子なし核融合を利用するために必要な条件は、ITERなどの重水素-三重水素（D-T）核融合に必要な条件よりもはるかに過酷です。
この分野における最初の実験は1939年に始まり、本格的な研究努力は1950年代初頭から継続的に行われている。
初期の支持者の一人は、ローレンス・リバモア研究所のリチャード・F・ポストでした。彼は、核融合炉から排出される荷電粒子の運動エネルギーを捕捉し、それを電圧に変換して電流を流すことを提案しました。 [ 3 ]ポストは、後にバールとモワールによって実証された直接変換の理論的基礎の開発に貢献しました。彼らは1981年にタンデムミラー実験で48パーセントのエネルギー捕捉効率を実証しました。[ 4 ]
ポリウェル核融合は、1995年に故ロバート・W・バサードによって開拓され、米国海軍の資金援助を受けて行われた。ポリウェルは慣性静電閉じ込めを利用する。彼はポリウェル研究を継続するためにEMC2を設立した。[ 5 ] [ 6 ]
2005年にロシアのチームが10テラワットレーザーのピコ秒パルスで水素-ホウ素無中性子核融合を生成した。[ 7 ]しかし、生成されたα粒子の数（レーザーパルスあたり約10³ ）は少なかった。
2006年、サンディア国立研究所のZマシン（Zピンチ装置）は20億ケルビンと300keVに到達した。[ 8 ]
2011年、ローレンスビル・プラズマ物理学研究所は初期結果を発表し、高密度プラズマフォーカス（DPF）を用いた中性子なし核融合の理論と実験プログラムの概要を示した。 [ 9 ] [ 10 ]この取り組みは当初、NASAのジェット推進研究所によって資金提供された。[ 11 ]他のDPF中性子なし核融合研究への支援は、空軍研究所から提供された。[ 12 ]
フランスの研究チームは、レーザー加速された陽子ビームと高強度レーザーパルスを使用して陽子とホウ素11原子核を融合させた。[ 13 ] 2013年10月、彼らは1.5ナノ秒のレーザーパルス中に推定8000万回の融合反応が発生したと報告した。[ 13 ]
2021年、TAE Technologies社は、磁場反転構成により、ノーマン装置が5000万度を超える温度で安定したプラズマを定期的に生成していると発表した。[ 14 ]
2021年、ロシアの研究チームは、電気力学的（振動的）プラズマ閉じ込めを備えた小型装置での実験結果を報告した。この装置は、仮想陰極を用いた約1～2 Jのナノ秒真空放電を使用した。その電場は、振動するイオン衝突の下でホウ素イオンと陽子を約100～300 keV まで加速する。約α粒子は 印加電圧4μsの間に5 × 10⁴ /4π（約 10α粒子/ns）が 得られた。 [ 15 ]
オーストラリアのスピンオフ企業HB11 Energyは2019年9月に設立された。[ 16 ] 2022年には、同社は核融合を実証した最初の商業企業であると主張した。[ 17 ] [ 18 ]
核融合反応は、中性子率、つまり高エネルギー中性子として放出される核融合エネルギーの割合によって分類できます。ニュージャージー州は、中性子が放出される全エネルギーの 1% 以下しか運ばない反応を無中性子反応と定義していますが[ 19 ] 、このテーマに関する多くの論文[ 20 ]には、この基準を満たさない反応も含まれています。
クーロン障壁とは、核融合反応において原子核同士が互いの静電反発力を克服するために必要な最小エネルギーのことである。反応物が十分に近づくと、原子核力によって強く引き付けられ、その力が静電反発力を凌駕する。
電荷Z 1を持つ粒子とZ 2を持つ粒子の間の反発力は( Z 1 × Z 2 ) / r 2に比例します。ここでrはそれらの間の距離です。反応する一対の荷電粒子が直面するクーロン障壁は、総電荷とそれらの電荷がどれだけ均等に分布しているかの両方に依存します。障壁は、低Z の粒子が高Z の粒子と反応するときに最も低く、反応物がほぼ等しい電荷を持つときに最も高くなります。したがって、障壁エネルギーは、陽子の数が最も少ないイオンで最小になります。
2つの原子核が約2フェムトメートル（陽子半径の約3倍）以内に近づくと、それらの核子間の強い核力による引力が顕著になる。この距離では、核力による引力が残りのクーロン反発力を凌駕し、系を核融合へと導く。融合後の系の質量が小さくなると、その差が核エネルギーとして放出される。結果として生じた破片の運動エネルギーによって運ばれる。
核子の数が増えると、強い力で結合する陽子と中性子の数が増えるため、核結合力は強くなります。しかし、陽子同士は反発し合うため、陽子の数を増やすと電気的な反発力も増します。中性子と陽子の比率は重要で、比率が間違っている原子核は不安定になります。
ほとんどの核融合概念では、クーロン障壁を克服するために必要なエネルギーは、他の燃料イオンとの衝突によって供給されます。プラズマのような熱平衡状態の流体では、温度はマクスウェル・ボルツマン分布に従ってエネルギー分布に対応します。この状態のガスは、平均エネルギーがはるかに低くても、高エネルギーの粒子を一部含んでいます。核融合装置はこの分布に依存しており、バルク温度がクーロン障壁エネルギーをはるかに下回っていても、反応によって放出されるエネルギーは十分に大きいため、その一部を捕捉することで、反応を継続させるのに十分な高エネルギーイオンを供給できます。
したがって、原子炉の安定運転は、核融合反応によって燃料にエネルギーが加えられる速度と、周囲にエネルギーが失われる速度とのバランスに基づいています。この概念は、温度、密度、および「閉じ込め時間」（エネルギーが環境に逃げる前に燃料内に留まる時間）の積である核融合三重積として最もよく表現されます。温度と密度の積は、任意の燃料に対する反応速度を与えます。反応速度は核断面積（σ）に比例します。[ 1 ] [ 21 ]
どのような装置でも、一定の最大プラズマ圧力を維持できる。効率的な装置は、この最大圧力付近で継続的に動作する。この圧力条件下では、温度がσv / T 2が最大となるときに最大の核融合出力が得られる。これは、点火に必要な三重積nTτの値が最小となる温度でもある。なぜなら、必要な値はσv / T 2に反比例するからである。核融合反応によって、外部加熱なしで温度を維持できるだけの十分な電力が生成される場合、プラズマは「点火」したとみなされる。
クーロン障壁は2つの反応物の陽子数（Z1 × Z2 ）の積に比例するため、重水素と三重水素（D-T）の各種が、最も低い総クーロン障壁を持つ燃料となります。他のすべての潜在的な燃料はクーロン障壁が高く、そのためより高い運転温度が必要となります。さらに、D-T燃料は最も高い核断面積を持つため、反応速度は他のどの燃料よりも高くなります。このため、D-T核融合は最も容易に実現可能です。
他の燃料の可能性をD-T反応と比較する：以下の表は、候補となる3つの無中性子反応の着火温度と断面積をD-T反応と比較したものである。
ケルビンでの温度を推定するには、keVでの温度に1000万を掛けます。中性子を含まない反応の中で最も点火しやすいD–3He反応は、D –T反応の4倍以上の点火温度を持ち、それに伴い断面積も小さくなります。一方、p– 11B反応は、点火するのがほぼ10倍困難です。
いくつかの核融合反応は、どの分岐においても中性子を生成しない。断面積が最も大きいもの[ 1 ]は以下の通りである。
ヘリウム3は、中性子核融合の候補燃料として研究されてきた。なぜなら、3Heが関与するいくつかの反応では、中性子ではなく荷電粒子が主に生成されるため、重水素-三重水素核融合（DT）と比較して、中性子による物質損傷や放射性活性化を低減できる可能性があるからである。[ 22 ]
理論的に完全に中性子を含まない第3世代反応は、3He – 3He核融合反応である。
³₂He + ³₂He → ⁴₂He + 2¹₁p + 26.2 MeV.
この反応は荷電粒子のみを生成するが、極めて高いプラズマ温度と閉じ込めが必要であり、原子炉関連の条件下では実証されていないため、中性子核融合の概念への実用的適用が制限される。[ 23 ]
3Heを含む無中性子核融合研究は、主に重水素-ヘリウム-3 (D-³He) 反応に焦点を当てており、
D + ³He → ⁴He + p + 18.3 MeV、
これにより、ヘリウム4原子核と陽子荷電粒子が生成され、原理的には閉じ込めて直接電気に変換できるため、中性子遮蔽要件の低減とエネルギー変換の簡素化への道が開かれる。[ 24 ] [ 25 ]しかし、D–³He核融合はD–T核融合に比べてプラズマ温度が大幅に高く、閉じ込めも改善する必要があるため、実験的に実現するのはより困難である。[ 24 ] さらに、現実的なプラズマでは、重水素–重水素核融合（D–D）などの避けられない副反応が必然的に発生し、中性子を生成して、小さいながらもゼロではない中性子束を導入する。この中性子生成はD–T核融合よりも大幅に低いが、D–³Heシステムが厳密に無中性子であると考えられる範囲を制限する。[ 24 ] [ 26 ]
2020年代半ばの時点で、3Heベースの燃料サイクルを使用して持続的または正味のエネルギー運転を実証した中性子核融合システムはありません。2022年にHelion Energyは、第7世代プロトタイプであるPolarisは、高効率の閉鎖型燃料サイクル設計内でD-D核融合による3He生成を実証し、核融合による正味の電力生成を実証することを目的としていると述べました。[ 27 ]これらの声明は開発目標を表しています。2025年の時点で、Polarisからの正味の電力生成は公には実証されていません。[ 28 ]
地球上での 3He の入手可能性が限られていることは、 3Heに基づく無中性子核融合の概念にとって依然として大きな制約となっている。[ 22 ]地球外の供給源が提案されているが、それらが実用的な無中性子核融合にどれほど関連性があるかは、原子炉性能の将来の進歩に依存しており、依然として推測の域を出ない。[ 29 ]
重水素反応（重水素 + 3 He および重水素 + 6 Li）自体は中性子を放出しないが、核融合炉ではプラズマが D–D 副反応を起こし、その結果、反応生成物として3 He と中性子が生成される。プラズマ反応を高温かつ重水素不足で運転することで中性子生成を最小限に抑えることができるが、放出されるエネルギーのうち中性子として放出される割合は数パーセントであると考えられるため、これらの燃料サイクルは中性子不足ではあるものの、1% の閾値を満たさない。3 Heを参照。D– 3 He 反応も、前述のように3 He 燃料の入手可能性の問題に悩まされている。
リチウムが熱核兵器におけるトリチウム生成に利用されていることから、リチウムが関与する核融合反応はよく研究されている。これらの反応は、原子番号の小さい水素やヘリウムが関与する反応と、<sup> 11</sup> B反応の中間の難易度である。
p– 7Li反応は高エネルギーであるが、代替中性子生成反応1p + 7Li → 7Be + nの断面積が大きいため中性子を放出する[ 30 ]。
中性子核融合に関する多くの研究は、容易に入手可能な燃料を使用する p–11B 反応に焦点を当てています[ 31 ] [ 32 ]。ホウ素原子核と陽子の融合により、高エネルギーのアルファ粒子（ヘリウム原子核）が生成されます。
p–11B反応の点火はD–T反応よりもはるかに難しいため、慣性閉じ込め核融合などの通常のトカマク型核融合炉の代替案が提案されることが多い。[ 33 ]提案されている方法の1つは、1つのレーザーを使用してホウ素11プラズマを生成し、もう1つのレーザーを使用してプラズマに衝突する陽子の流れを生成する。陽子ビームは、陽子とホウ素原子核が直接衝突するため、核融合を10倍増加させる。以前の方法では、電子によって「保護」された固体ホウ素ターゲットを使用していたが、核融合率が低下していた。[ 34 ]実験では、ペタワット規模のレーザーパルスが「雪崩」核融合反応を開始できることが示唆されているが、[ 33 ] [ 35 ]これは依然として議論の的となっている。[ 36 ]プラズマは約1ナノ秒持続するため、ピコ秒の陽子パルスを正確に同期させる必要がある。従来の方法とは異なり、このアプローチでは磁気閉じ込めプラズマは不要です。陽子ビームの前には、同じレーザーによって生成された電子ビームがあり、これがホウ素プラズマ中の電子を剥ぎ取り、陽子がホウ素原子核と衝突して融合する確率を高めます。[ 34 ]
計算によると、熱p- 11Bプラズマ中の反応の少なくとも0.1%が中性子を生成するが、そのエネルギーは放出される全エネルギーの0.2%未満である。[ 37 ]
これらのニュートロンは主に次の反応から生じます: [ 38 ]
反応自体は 157 keV しか生成しないが、中性子はアルファエネルギーの大部分を運び、E融合/3 =に近い。2.9 MeV 。中性子のもう一つの重要な発生源は次のとおりです。
これらのニュートロンはエネルギーが低く、燃料温度と同程度のエネルギーしか持ちません。さらに、炭素11自体も放射性物質ですが、半減期わずか20分で速やかに崩壊し、ホウ素11に変化します。
これらの反応は一次反応の反応物と生成物に関係するため、中性子生成量を大幅に減らすことは困難である。巧妙な磁気閉じ込め方式を用いれば、アルファ粒子が生成されると同時に抽出することで一次反応を抑制できる可能性があるが、その場合、アルファ粒子のエネルギーはプラズマを高温に保つために利用できなくなる。二次反応は、イオン分布の高エネルギー側の裾野を除去することで、望ましい核融合反応に比べて抑制できる可能性があるが、分布が熱平衡状態になるのを防ぐために必要な電力が膨大になるため、おそらく実現は難しいだろう。
中性子に加えて、制動放射によって大量の硬X線が生成され、核融合反応によって4、12、16 MeVのガンマ線が生成される。
一次核融合反応に対する分岐確率は約 10 −4である。[注 1 ]
水素は同位体的に純粋でなければならず、プラズマへの不純物の流入を制御して、次のような中性子生成副反応を防ぐ必要がある。
遮蔽設計により、中性子線とガンマ線の両方の被ばく線量が無視できるレベルまで低減されます。主な構成要素は、水（高速中性子を減速するため）、ホウ素（減速された中性子を吸収するため）、金属（X線を吸収するため）です。全体の厚さは約1メートルと推定され、その大部分は水です。[ 39 ]
レーザー出力は、コストの低下に伴い、10年あたり約10 3倍のペースで増加しています。進歩には以下が含まれます。 [ 40 ]
無中性子核融合は、中性子の代わりに荷電粒子の形でエネルギーを生成します。これは、無中性子核融合からのエネルギーを、何かを沸騰させるために標的に中性子を照射する代わりに直接捕捉できることを意味します。直接変換には、磁場の変化に基づく誘導、荷電粒子を電場に衝突させることに基づく静電、または光エネルギーをパルスモードで捕捉する光電のいずれかがあります。[ 41 ]
静電変換は、荷電粒子の運動を利用して電圧を生成し、電流（電力）を生み出す。これは、電圧を使って粒子を運動させる現象の逆である。逆方向に動く直線加速器として説明されている。[ 42 ]
中性子核融合では、エネルギーの大部分が光として失われます。このエネルギーは、荷電粒子の加速と減速によって生じます。これらの速度変化は、制動放射、サイクロトロン放射、シンクロトロン放射、または電場相互作用によって引き起こされる可能性があります。放射はラーモアの式を使用して推定でき、X線、紫外線、可視光、赤外線スペクトルに存在します。X線として放射されるエネルギーの一部は、直接電気に変換される可能性があります。光電効果により、導電性箔の配列を通過するX線は、そのエネルギーの一部を電子に伝達し、その後、静電的に捕捉することができます。X線は電子よりもはるかに厚い物質を透過できるため、X線を吸収するには数百または数千の層が必要です。[ 43 ]
無中性子核融合の商業化には、多くの課題が立ちはだかる。
核融合研究の大部分は、最も実現しやすい重水素-重水素核融合（D-T核融合）に向けられてきた。核融合実験では、重水素は安価で取り扱いが容易であり、非放射性であるため、一般的に重水素-重水素核融合（D-D）が用いられる。一方、トリチウムは高価で放射性であるため、D-T核融合の実験はより困難であり、追加の環境保護対策や安全対策が必要となる。
D– 3He核融合では、断面積が小さく損失率が高いという欠点がありますが、反応物は主にプラズマ中にエネルギーを放出する荷電粒子であるため、ある程度相殺されます。この相殺する特性の組み合わせにより、動作温度はD–Tシステムの約4倍になります。しかし、損失率が高く、その結果エネルギーが急速に循環するため、稼働中の原子炉の閉じ込め時間はD–Tの約50倍、エネルギー密度は約80倍必要になります。これはプラズマ物理学の大幅な進歩を必要とします。[ 44 ]
陽子-ホウ素核融合には、D-T核融合の約9倍のイオンエネルギー、ひいてはプラズマ温度が必要です。反応核の密度が一定の場合、陽子-ホウ素の反応速度は約600 keV（摂氏66億度または6.6ギガケルビン）でピークに達しますが[ 45 ]、D-Tのピークは約66 keV（摂氏7億6500万度または0.765ギガケルビン）です。圧力制限閉じ込めコンセプトの場合、最適な動作温度は約5分の1になりますが、それでも比率はほぼ10対1です。
p– 11Bのピーク反応速度はD–T の 3 分の 1 にすぎず、より優れたプラズマ閉じ込めが必要です。閉じ込めは通常、放出される電力がプラズマを加熱するのに必要な電力を超えるようにエネルギーが保持される時間 τ によって特徴付けられます。さまざまな要件を導き出すことができますが、最も一般的なのは、密度nτと圧力nTτの積であるローソン基準です。p – 11Bに必要なnτは D–T の 45 倍です。必要なnTτは 500 倍です。[注 2 ]トカマクやレーザーペレット核融合などの従来の核融合アプローチの閉じ込め特性は限界であるため、ほとんどの無中性子核融合の提案は根本的に異なる閉じ込め概念を使用しています。
ほとんどの核融合プラズマでは、制動放射が主要なエネルギー損失チャネルです。（準中性等方性プラズマにおける制動放射損失も参照してください。）p– 11B反応の場合、いくつかの計算では、制動放射出力が核融合出力の少なくとも1.74倍になることを示しています。3He – 3He反応の場合の対応する比率は、1.39とわずかに有利なだけです。これは非中性プラズマには適用できず、異方性プラズマでは異なります。
磁気閉じ込めまたは慣性閉じ込めに基づく従来の原子炉設計では、制動放射はプラズマから容易に脱出し、純粋なエネルギー損失項とみなされます。プラズマが放射線を再吸収できれば、見通しはより良好になります。吸収は主に電子によるトムソン散乱によって発生し、[ 46 ]全断面積は σ T =です。 6.65 × 10 −29 m 2。50–50 D–T 混合物では、これは次の範囲に相当します。6.3 g/cm 2。[ 47 ]これは、すでに達成が困難なローソン基準ρR > 1 g/cm 2よりもかなり高いが、慣性閉じ込めシステムでは達成可能かもしれない。[ 48 ]
メガテスラ磁場では、量子力学的効果によりイオンから電子へのエネルギー伝達が抑制される可能性がある。[ 49 ]ある計算によると、[ 50 ]制動放射損失は核融合出力の半分以下にまで低減できる可能性がある。強い磁場では、サイクロトロン放射は制動放射よりもさらに大きい。メガテスラ磁場では、放射が脱出できれば、電子は数ピコ秒でサイクロトロン放射によってエネルギーを失う。しかし、十分に密度の高いプラズマ（ne >2.5 × 10 30 m −3（固体よりも高い密度[ 51 ]）の場合、サイクロトロン周波数はプラズマ周波数の2 倍未満です。このよく知られたケースでは、サイクロトロン放射はプラズモイド内部に閉じ込められ、非常に薄い表面層を除いて脱出できません。
メガテスラ級の磁場はまだ実現されていないが、高強度レーザーで0.3メガテスラ級の磁場が生成されており[ 52 ] 、高密度プラズマフォーカス装置で0.02～0.04メガテスラ級の磁場が観測されている[ 53 ] [ 54 ]。
はるかに高い密度 ( n e >6.7 × 10 34 m −3 ) の場合、電子はフェルミ縮退し、制動放射損失が直接的にもイオンから電子へのエネルギー伝達の減少によっても抑制されます。[ 55 ]必要な条件が満たされれば、p– 11 B または D– 3 He 燃料からの正味エネルギー生産が可能になるかもしれません。しかし、この効果のみに基づく実現可能な原子炉の確率は低いままです。なぜなら、利得は20 未満と予測されているのに対し、通常は 200 以上が必要と考えられているからです。
発表されているすべての核融合発電所の設計において、核融合反応を起こす部分は、核エネルギーを電気に変換する部分よりもはるかに高価です。この場合、実際ほとんどの電力システムと同様に、出力密度は重要な特性です。[注3 ]出力密度を2倍にすると、少なくとも電気のコストは半分になります。さらに、必要な閉じ込め時間は出力密度に依存します。
しかしながら、異なる核融合燃料サイクルによって生成される電力密度を比較することは容易ではない。D –T燃料と比較してp– 11B に最も有利なケースは、イオン温度が約400keV以上でのみうまく機能し、反応速度パラメータσvが2つの燃料で等しく、電子温度が低い（仮想的な）閉じ込め装置である。p– 11Bは、荷電生成物のエネルギーがD–Tの2.5倍高いため、それほど長い閉じ込め時間を必要としない。しかし、これらの仮定を緩和すると、例えば高温電子を考慮したり、D–T反応をより低い温度で実行できるようにしたり、計算に中性子のエネルギーを含めたりすると、電力密度の優位性はD–Tにシフトする。
最も一般的な仮定は、同じ圧力で電力密度を比較し、各反応のイオン温度を電力密度を最大化するように選択し、電子温度をイオン温度と等しくすることです。閉じ込め方式は他の要因によって制限される場合があり、実際に制限されることもありますが、よく研究されているほとんどの方式には何らかの圧力制限があります。これらの仮定の下では、p– 11Bの電力密度は約D-Tの場合と比べて2100分の1にまで減少する。低温電子を用いると、この比率は約700まで低下する。これらの数値は、主流閉じ込め方式では中性子を用いない核融合発電は不可能であることを示すもう一つの証拠である。
