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、材料中のトリチウムインベントリ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。

トリチウム透過障壁と低減率

核融合炉のブランケット構造材（還元活性化フェライト／マルテンサイト鋼やオーステナイト系ステンレス鋼）は、そのままではトリチウムを透過しやすい。そこで構造材表面にセラミック被膜を施し、透過を抑えるトリチウム透過障壁の研究が30年以上にわたって続けられている。障壁の性能は、素地の透過率に対する被膜付き試料の透過率の比として定義される低減率で評価される。

被膜材料としては、酸化アルミニウム、酸化エルビウム、酸化イットリウム安定化ジルコニア、炭化ケイ素、酸化クロム系の複合被膜などが研究されてきた。酸化エルビウム被膜では、両面に被膜を施した試料が片面のみの試料よりはるかに低い透過率を示し、素地比で最大10^5という低減率が報告されている。両面被覆の効果は各面の障壁効率の積として表せること、すなわち透過過程における上流面での溶解（侵入）と下流面での脱離が互いに独立に抵抗として効くことが、結晶構造解析とエネルギー障壁の評価から示された。これは透過が「表面反応―拡散―表面反応」の直列抵抗で決まることを端的に表している。酸化アルミニウムでは、パルスレーザー堆積法による非晶質基の被膜が水素・重水素に対して10^4を超える低減率を示し、電子線照射後も性能を維持するとともに、鉛リチウム共晶合金による溶蝕からも素地を保護する多機能性が実証されている。被膜の作製法としては、フィルタードアーク堆積、スパッタリング、金属有機気相堆積、金属有機分解法など多様な手法が検討されており、成膜条件が結晶性・緻密性・欠陥密度を通じて低減率を左右する。

表面・照射効果

透過特性はバルクの拡散係数だけでなく、表面の状態に強く依存する。ステンレス鋼や各種鋼材では、表面に自然形成または熱処理で形成される酸化層が透過を大きく抑制する。熱酸化層を持つ鋼や、粒界・表面酸化物の影響を調べたニオブ膜の研究など、表面酸化層の構造と透過の関係が系統的に調べられている。一方、表面酸化層は熱サイクルや液体金属（LiPbなど）への曝露、固体増殖材ペブルとの接触、熱時効などによって変質し、それに伴って透過挙動も変化する。被膜の耐久性、すなわち照射下・腐食環境下・熱履歴下で低減率が維持されるかどうかが、実用化の鍵となる。この観点から、中性子やイオン、電子線照射後の被膜の微構造と透過抵抗の評価、多層被膜（酸化エルビウムと鉄の交互層など）の設計が進められている。

プラズマ対向材料として最有力のタングステンでは、ヘリウムプラズマ照射による表面構造変化が透過に影響する。低エネルギー・高フラックスのヘリウムプラズマを高温で照射すると、ナノスケールの繊維状構造（ファズ）が表面に形成される。図は、ヘリウム照射量の異なるタングステン表面の走査電子顕微鏡像であり、表面と断面の両方から、照射量の増加とともに繊維状のナノ構造が発達して多孔質層が厚くなる様子がわかる。

このファズ層を持つタングステンの重水素ガス駆動透過を測定すると、透過率は未照射材に比べて大きく上昇する一方、拡散係数は低下する。図は、ヘリウム照射量とファズ除去処理の有無による透過率と拡散係数の温度依存性を、未照射材の値とともに示したものである。ファズ付き試料の透過率は未照射材より約1桁高く、ファズを除去すると未照射材の値に戻る。拡散係数は逆に未照射材より低く、ファズ層中のトラップ効果を反映している。

この一見逆方向の変化は、ファズ層が表面での重水素の取り込みを促進する（実効的な溶解度を上げる）と同時に、層内部のトラップが拡散を遅らせることで説明される。図は、ファズ層の厚さに応じて表面近傍の重水素濃度が上昇し、基材中の濃度こう配が大きくなる様子を模式的に示したものである。つまりファズは「入口を広げ、中の通りを狭める」役割を果たし、その結果として透過流束が増大する。

プラズマ駆動透過と核融合炉での意義

核融合炉の第一壁では、材料はガスではなく水素同位体プラズマに直接曝される。このため、プラズマ駆動透過（プラズマ駆動透過、PDP）が炉内の透過評価には本質的に重要となる。低エネルギープラズマ駆動透過では、イオンが表面に注入されることで表面濃度が決まり、透過流束は入射フラックスと表面下の固溶重水素濃度で決まる。ガス駆動透過との本質的な違いは、圧力の平方根則が成り立たず、入射イオンのエネルギー・フラックス・表面の状態（損傷、酸化層、ファズなど）が直接透過流束に入ることである。バナジウム膜を用いたガス駆動・プラズマ駆動透過の比較研究や、タングステンでの低エネルギープラズマ駆動透過の研究は、粒子排気の観点からも行われている。

核融合炉の安全設計では、トリチウムの透過漏えいによる燃料損失と冷却系への放出を抑えると同時に、材料中のトリチウム保持量（インベントリ）を管理しなければならない。透過と保持は、前述のようにトラップと表面反応によって異なる仕組みで支配されるため、両者を別々に、しかし整合的に評価する必要がある。重水素はトリチウムの放射能を扱わずに済むため、透過測定の標準的な代替同位体として広く用いられており、水素との同位体効果も含めて、材料開発から炉設計までの橋渡しを担っている。