フェライト鋼

フェライト鋼は、体心立方格子の鉄を主相とする鋼材であり、核融合炉の構造材料、とりわけブランケットや第一壁の候補材料として、最も重点的に開発が進められてきた金属材料である。融合炉環境では高温・高中性子束・冷却材との接触という過酷な条件が同時に課されるため、材料の選択は炉の成立性そのものを左右する。以下では、なぜフェライト鋼が選ばれたのか、その低放射化設計と強化手法、そしてトカマク炉内での磁気的影響という、この材料に特有の課題を順に説明する。

融合炉構造材料としてのフェライト鋼

核融合炉の構造材料には、(1) 高速中性子による損傷に耐えること、(2) 高温で十分な強度を保つこと、(3) 中性子照射後の放射能が低く廃棄物管理が容易なこと、(4) 冷却材やプラズマに対して化学的に安定であることが求められる。オーステナイト系ステンレス鋼は加工性や照射下での延性に優れるが、熱膨張が大きく高温強度で劣るうえ、照射スエリング(体積膨張)が生じやすい。一方、フェライト鋼およびマルテンサイト鋼は熱膨張係数が小さく、熱伝導率が高く、照射スエリングが極めて小さいという構造材料として本質的な利点を持つ。このため日本と欧州の融合材料計画は、デモンストレーション炉(DEMO)以降を見据えて低放射化フェライト/マルテンサイト鋼の研究開発を最優先課題に位置づけ、国際エネルギー機関(IEA)の融合材料作業部会を通じた共同試験プログラムによって、核融合炉適用に必要な資格認定のための広範な試験が進められてきた。代表的な工業規模で製造された8–9Cr-2W系の低放射化鋼について、設計者がブランケット構造の機械設計に用いられる予備的な材料データ一式を整備するデータベース構築が進められている。

低放射化フェライト鋼(F82H、JLF-1)

通常の鋼にはニッケル、モリブデン、ニオブなど、中性子照射によって長寿命の放射性核種を生成する元素が含まれる。低放射化の考え方は、これらを炉心近傍での使用が許容される元素に置き換えることにある。具体的には、モリブデンをタングステンで、ニオブをタンタルで置換した8–9Cr-2W-V-Ta系の組成が国際的な標準となった。日本ではこの系に基づくF82H(JAEA系)とJLF-1(約9Cr-2W)が代表的な低放射化フェライト鋼として開発され、溶製・加工・溶接の各工程を含む工業的な製造技術がほぼ確立されている。さらに、の同位体組成(窒素14と窒素15)を制御して炭素14の生成を抑えるという手法も検討されており、炉の解体後の放射性廃棄物の分類をより低いレベルに引き下げ、環境負荷と廃棄コストを削減する方向性が示されている。材料データベースの整備、核分裂炉(例えば米国の高フラックス同位体炉)での高照射量試験、国際核融合材料照射施設()による14 MeV中性子照射試験、そしての試験への適用という段階を経て設計に必要なデータを供給するという道筋が、日本の研究開発ロードマップとして明示されている。