重水素透過

重水素透過とは、重水素分子または原子が固体材料中を拡散して高圧側から低圧側へ移動する現象である。核融合炉では、燃料である重水素・三重水素が第一壁やブランケット構造材を透過して冷却系へ漏えいすることが、燃料損失と放射能安全の両面から主要な設計課題の一つとなっており、材料の透過挙動の定量的理解と透過の抑制が活発に研究されている。透過の測定は、試料をガスケットで挟んで上流側（高圧側）と下流側（真空側）に仕切った装置で行われるのが標準的である。図にその典型例を示す。上流側の真空槽に重水素ガスを導入して試料の片面に所定圧力をかけ、炉で試料を加熱しながら、下流側に設置した四重極質量分析計で透過してきた重水素の流束を検出する。この構成により、透過率（透過流束を圧力こう配と膜厚で規格化した量）と拡散係数を温度の関数として求めることができる。

透過の基礎と測定

水素同位体の金属中での透過は、溶解・拡散という二つの素過程で記述される。上流面でガス分子が解離して格子中に固溶し、濃度こう配に沿って拡散して下流面で再結合して脱離する。定常状態では透過流束は圧力の平方根に比例し（解離が律速でない場合）、透過率は拡散係数と溶解度の積としてアレニウス型の温度依存を示す。したがって、測定から透過率と拡散係数を分離するには、透過過渡応答（時間遅れ法）や水素と重水素の比較などを併用する。測定は主にガス駆動透過で行われるが、プラズマ駆動透過（後述）は入射粒子のエネルギーと流束が直接効くため、炉内の実際の条件に近い評価が可能である。

測定結果の解釈には、格子欠陥によるトラップの効果が本質的である。転位・粒界・空孔・照射欠陥などは水素同位体を捕捉し、実効的な拡散を遅らせ、保持量を増やす。タングステンを低エネルギープラズマに曝露した実験では、低温（約300 K）でのみ表面下に損傷構造が発達し、保持量が大きく変化する一方、透過流束自体は損傷の有無によらずほぼ不変であることが示された。これは、損傷が注入面のごく近傍に局在するため、膜全体の濃度こう配にはほとんど寄与しないからである。透過流束は「固溶した重水素濃度」のこう配で決まり、トラップされた重水素は透過に直接は寄与しない。この「保持と透過の分離」は、材料中のと透過漏えいを別々に評価しなければならない核融合炉設計において重要な知見である。