材料・工学

このセクションでは、核融合炉における材料科学と工学的課題を解説します。

核融合炉の実現において、材料工学は最も困難な技術課題の一つです。核融合反応が起こるプラズマは1億度以上の超高温に達しますが、それを閉じ込める炉壁や構造材料は物理的な限界の中で機能し続けなければなりません。この極端な環境条件が、核融合炉材料に対して従来の原子炉や産業機器とは全く異なる要求を課しています。

核融合炉材料が直面する環境

核融合炉の材料は、複数の過酷な条件に同時にさらされます。

プラズマに面する部品は、定常的な熱負荷に加えて、プラズマ不安定性による瞬間的な大熱流束を受けます。ダイバータ領域では10-20 MW/m2という、ロケットエンジンのノズル内面に匹敵する熱流束が発生します。

D-T反応で生成される14.1 MeVの高速中性子は、材料中の原子を弾き飛ばして格子欠陥を生成します。1年間の運転で材料中の各原子が数十回も位置を変えるほどの照射損傷が蓄積し、材料の機械的性質を劣化させます。

さらに、中性子との核反応により材料中にヘリウムや水素が生成され、これらのガスが材料内部に気泡を形成してスウェリングや脆化を引き起こします。

主要な課題

• 第一壁材料：極端な熱流束と中性子照射に耐える必要がある
• ブランケットシステム：トリチウム増殖と熱取り出し
• 超伝導磁石：大規模・高磁場の磁石
• ダイバータ：排気処理と不純物制御

開発中の材料

• 低放射化フェライト/マルテンサイト（RAFM）鋼
• タングステン合金
• 炭化ケイ素複合材
• 高温超伝導体（HTS）

このセクションで学べること

材料・工学セクションでは、核融合炉を構成する主要コンポーネントの設計要件と材料選択について詳しく解説します。プラズマ対向材料がどのような特性を求められるのか、なぜタングステンやベリリウムが選ばれるのかといった基礎から、実際の炉設計における材料配置の考え方まで、体系的に理解を深めることができます。

核融合炉材料の研究は、ITERでの実証を経て、DEMOや将来の商用炉に向けてさらに発展していきます。新しい製造技術や先進材料の開発により、核融合発電の実用化への道が着実に開かれています。