セラミック増殖材

セラミック増殖材(セラミックブリーダ、ceramic breeder)とは、核融合炉のブランケット内でリチウムとの核反応によってトリチウムを生成させる、リチウム系セラミックスからなる固体増殖材のことである。核融合炉は燃料のトリチウムを炉内で自給できなければならず、その増殖を担う材料として、液体リチウムや鉛リチウム合金を用いる液体増殖概念と対をなす位置づけにある。セラミック増殖材は熱的・化学的に安定で安全性に優れる一方、固体であるがゆえにペブル(小球)充填層として扱う必要があり、その熱機械挙動とトリチウム放出特性が開発の中心課題となってきた。

固体ブランケットにおけるセラミック増殖材の役割

核融合炉のブランケットは、プラズマからの中性子を吸収して熱に変換すると同時に、リチウム6の中性子捕獲反応 (n,α) によってトリチウムを生成し、燃料サイクルを閉じる機能を持つ。セラミック増殖材を用いる固体ブランケットでは、増殖材をペブル床またはペレットの形で容器内に充填し、その隙間にヘリウムなどのパージガスを流して生成したトリチウムを回収する。中性子の増倍材としてベリリウムを併用する構成が標準的で、増殖材・増倍材・冷却構造材をモジュール内に積層配置する。

液体増殖材と比べたセラミック増殖材の利点は、化学的に不活性で水や空気との反応性が低く、事故時の安全性評価が容易なこと、また増殖材自体が構造材と直接混ざらないため腐食の問題が小さいことにある。一方で、固体は液体のように流動して熱を運べないため、増殖材内部の温度を伝導で管理する必要があり、材料が高温・大温度勾配・長期照射に耐えることが最大の資格要件とされる。このため設計では、増殖材の温度窓(トリチウム放出が十分速く、かつ材料が劣化しない温度範囲)を確保することが支配的な制約となる。

候補材料と製造

候補材料として研究されてきたのは、オルトケイ酸リチウム (Li₄SiO₄)、メタチタン酸リチウム (Li₂TiO₃)、メタジルコニウム酸リチウム (Li₂ZrO₃) などのリチウム系セラミックスである。これらはリチウム原子密度、トリチウム放出温度、照射挙動、化学的安定性のバランスで評価され、なかでも Li₂TiO₃ と Li₂ZrO₃ は低温でもトリチウム放出が速いことを理由に国際的な候補として選ばれてきた。Li₂TiO₃ はさらに、ベリリウムとの化学的相溶性や照射下での安定性の面で有利とされ、欧州や日本の現行設計では主流となっている。

形状は直径1 mm 前後のペブル(小球)にするのが標準である。ペブル床は、焼結による塊状増殖材と違って熱膨張や照射による膨張を床のわずかな再配列で吸収でき、温度勾配による応力を緩和できるためである。製造には湿式法による造粒・焼結のプロセスが用いられ、大量生産性とペブル強度の確保が実用化の要件とされる。製造条件の違いが熱サイクル後のペブル強度に影響すること、すなわちより丈夫なペブルを作れる製造条件があることが知られており、単一粒径の床に小粒径ペブルを混ぜた二元充填床(バイナリベッド)による充填密度と熱伝導率の改善も研究されてきた。

ペブル床の熱・機械挙動

固体ブランケットの設計上、最も重要な物性の一つがペブル床の有効熱伝導率である。増殖材の温度は床を通じた伝導で決まるため、有効熱伝導率が設計温度窓を直接左右する。ペブル床の伝熱はペブル同士の接触点を介して行われるため、床が圧縮変形して接触面積が増えると伝導率が上昇する。ベリリウムペブル床では約1%の変形で伝導率が数倍に増えることが知られているが、セラミック増殖材の床では変形による伝導率の増加はずっと小さく、高温域では無視できる程度であることが測定で示されている。測定はオルトケイ酸リチウムおよびメタチタン酸リチウムの床について、変形率数%まで、数百℃の温度域で行われ、零変形での値は文献の相関式とよく一致する。

機械的には、ペブル床は粒状体として振る舞う。圧縮荷重下での応力伝達や粒子流動は、二軸圧縮実験や個別要素法(DEM)による数値解析で研究されており、床の変形挙動や応力分布の予測が設計に組み込まれている。また個々のペブルの圧壊挙動そのものも、単軸圧縮試験で評価される。さらに、増殖材層を流れるパージガスの圧力損失は空隙率に依存し、トリチウム回収系の設計条件を定める量として測定が積み重ねられてきた。照射下での床の安定性についても、パージ型カプセル実験により、リチウム燃焼率数%・250〜1000℃の条件で床温度がモデル予測と一致して安定に保たれることが確認されている。

トリチウムの生成と放出

増殖材内で生成したトリチウムは、結晶格子中を拡散して表面に達し、脱離してパージガスに移行することで初めて回収可能になる。この放出速度が低温側の温度窓を決める。放出は拡散律速であり、結晶粒径やペブルの微細構造、パージガス中の水素分圧などの表面化学条件に依存するため、放出モデルの比較・検証が国際的に進められている。Li₂TiO₃ や Li₂ZrO₃ が候補の中心になったのは、低温でもトリチウム放出が速いという特性のためであり、照射実験でも低温での迅速な放出が確認され、燃焼率の影響は見られていない。照射後の焼きなまし試験でも良好な放出挙動が示されている。

一方、増殖材から回収したトリチウムが第一壁や冷却系を透過して失われる問題もある。水冷却の固体ブランケットでは、第一壁を通してのトリチウム透過量が第一壁の表面状態(酸化膜の有無など)に強く依存することが評価されており、透過障壁の設計が燃料収支に関わる。

ブランケット概念と試験ブランケットモジュール

セラミック増殖材を用いたブランケット概念は、冷却方式によっていくつかに分かれる。日本では水冷却セラミック増殖ブランケットが長年開発されており、軽水炉技術を基盤とした設計が進められ、ITERへの試験ブランケットモジュール(水冷却セラミック増殖試験ブランケットモジュール)として提案されている。中国も水冷却概念とヘリウム冷却概念(HCCB)の両方を開発し、ヘリウム冷却試験ブランケットシステムはITERでの試験に向けて設計最適化、材料開発、模擬体製作、試験施設の整備が進められている。欧州ではヘリウム冷却のセラミック増殖試験ブランケットモジュールの設計改良が続けられる一方、近い時期の DEMO を狙った代替概念として、鉛リチウムを冷却材としつつセラミック増殖材を併用する溶融鉛セラミック増殖材概念や、水冷却の鉛セラミック増殖材概念も検討されてきた。インドは鉛リチウム冷却のセラミック増殖試験ブランケットモジュールを計画しており、その構造材となる P-91 鋼の鉛リチウム中での流動腐食、磁場の有無を含めた評価が行われている。ITER のモジュールには鉛リチウム冷却セラミック増殖(LLCB)の構成も含まれ、炉内での増殖材の監視手法も課題となっている。

増殖材の形状についても、ペブル床以外に中空ペレットを用いた構成や、増殖材をポロイダル方向の管に充填するポロイダル管型ブランケットなどが提案されてきた。韓国では K-DEMO のセラミック増殖ブランケットの予備概念設計が進められている。これらの概念設計・試験ブランケット開発は、共通して増殖材の温度管理、トリチウム回収、照射データの整備という同じ三つの課題を中心に回っており、セラミック増殖材の実用化は材料の照射特性データベースとペブル床工学の成熟度に依存している、と言える。