中性子の壁負荷をPythonで計算する｜炉の壁が受ける"猛烈な照射"

D-T核融合のエネルギーの約8割は中性子が運びます。この高速中性子が炉の壁に絶え間なく降り注ぎ、材料を傷めつける——核融合炉の最難関の一つです。壁が受ける負荷をPythonで計算し、なぜ材料の課題が深刻なのかを理解します。

中性子がエネルギーを運ぶ

D-T反応（17.6MeV）のうち、14.1MeVを中性子、3.5MeVをα粒子が持ちます。電気を帯びないα粒子と違い、中性子は磁場で閉じ込められず、まっすぐ壁へ突き刺さります。エネルギーの大半がこうして壁に届くのです。

準備

pip install numpy

① 中性子の壁負荷を計算

核融合出力から、単位面積あたりに壁が受ける中性子パワー（壁負荷）を求めます。

import numpy as np

P_fusion_MW = 500          # 核融合出力 [MW]
wall_area_m2 = 700         # 炉壁の面積 [m^2]（ITER級）

# エネルギーの約80%が中性子として壁へ
neutron_fraction = 14.1 / 17.6
wall_load = P_fusion_MW * neutron_fraction / wall_area_m2
print(f"中性子壁負荷: {wall_load:.2f} MW/m²")

出力は約 0.57 MW/m²。1平方メートルあたり数十万ワットの中性子パワーが降り注ぎます。商用炉ではさらに高く、1〜2 MW/m²を目指します。

② 材料が受ける照射量（dpa）

中性子は材料の原子を弾き飛ばし、格子を壊します。その量を dpa（はじき出し損傷） で見積もります。

def dpa_per_year(wall_load_MW, dpa_per_MWyr=10):
    # 経験的な係数：1 MW·年/m² あたり おおよそ10 dpa
    return wall_load_MW * dpa_per_MWyr

for load in [0.5, 1.0, 2.0]:
    print(f"壁負荷 {load} MW/m² → 年間 約 {dpa_per_year(load):.0f} dpa")

商用炉クラス（1〜2 MW/m²）では、材料が年に10〜20 dpaもの損傷を受けます。1 dpaは「材料の全原子が平均1回弾き飛ばされる」レベル。金属の性質が変わり、脆くなっていきます。

まとめ

• D-T反応のエネルギーの約8割(14.1MeV)を中性子が運ぶ
• 中性子は磁場で防げず、まっすぐ壁に降り注ぐ
• 壁負荷は数十万〜数百万W/m²。商用炉は1〜2 MW/m²目標
• 年10〜20 dpaの照射損傷。耐える材料開発が最難関

もう少し詳しく（背景と理論）

D-T 反応のエネルギーの約8割は14.1 MeV の高速中性子が運びます。中性子は電気を帯びないため磁場では閉じ込められず、まっすぐ壁へ飛んで熱と損傷を与えます¹。壁が受ける熱流束が**中性子壁負荷（MW/m²）**で、商用炉では1〜2 MW/m² 級が目標です。材料損傷の指標が dpa（displacements per atom）で、1 dpa は「材料中の全原子が平均1回はじき飛ばされた」状態を意味し、商用炉では年10〜20 dpa にも達します²。この照射で材料は脆化・膨潤し、さらに核変換でヘリウムが生成して結晶粒界を弱めます。だから低放射化かつ耐照射性のある構造材料の開発が核融合実現の大きな壁です³。一方で中性子は、壁の後ろのリチウムでトリチウムを生む資源でもある二面性を持ちます。

次の一歩 🌸

材料の課題は材料の課題、燃料を作るトリチウム増殖、反応エネルギーは核融合エネルギーへどうぞ。

Footnotes

1. 14.1MeV中性子はD-T出力の約80%を担う。電荷を持たず磁場で偏向できないため、直接第一壁に到達して入熱・損傷を与える。 ↩

2. dpa は照射損傷量の指標。中性子が格子原子を弾き出す回数の平均。核分裂炉より高エネルギーの核融合中性子は損傷が激しく、材料寿命を左右する。 ↩

3. 照射脆化・スエリング・ヘリウム脆化が問題。低放射化フェライト鋼（RAFM）やSiC複合材が候補で、IFMIF等の照射試験施設で評価が進む。 ↩