核融合ブランケット

核融合ブランケットとは、磁場閉じ込め核融合炉のプラズマを直接取り囲む炉内機器であり、プラズマから放射・中性子として漏れ出すエネルギーを熱として回収するとともに、リチウムとの核反応によって消費した以上のトリチウムを炉内で増殖させる役割を担う、炉心の外側に置かれる厚い壁状の部材群である。核融合炉が自立的な燃料循環を成立させるためには、プラズマで消費されるトリチウムを炉自らが補充しなければならず、この増殖機能を担うブランケットは、炉心プラズマの閉じ込め性能と並んで核融合炉成立の鍵とされる。同時に、炉心で生じるエネルギーの大半を最終的に受け取る熱回収機器でもあり、構造材料・増殖材料・冷却系・中性子工学・流体工学が交差する、核融合工学の中核的な研究対象である。

増殖ブランケットの役割と機能

重水素―トリチウム(D-T)反応を燃料とする核融合炉では、1回の融合反応ごとに1個のトリチウムが消費される。しかしトリチウムは半減期約12年で天然にはほぼ存在せず、炉外の増殖施設に頼る方式は経済性・安全性の両面で不利とされるため、炉内でリチウムの中性子捕獲反応(6Li + n → T + 4He)を利用してトリチウムを補充する「増殖ブランケット」の概念が事実上の標準となっている。増殖比(消費量に対する生成量の比)を1以上に保つことが設計上の必須条件であり、これを達成するため中性子の利用効率を高める工夫が随所に施される。

ブランケットが担う機能は増殖だけではない。第一に、D-T反応で生じる14 MeV中性子の運動エネルギーはブランケット内で熱化されるため、ブランケットは炉の実質的な「ボイラー」であり、発電に回るエネルギーの大部分がここで回収される。第二に、中性子やガンマ線から真空容器や超伝導磁石などの外側機器を遮蔽し、放射線損傷と発熱を許容レベル以下に抑える。第三に、増殖したトリチウムをブランケット外へ連続的に取り出す抽出系を備える。これらの機能は互いに干渉する。例えば増殖材を多く詰めれば増殖比は上がるが、冷却や構造強度の余地が減り、中性子遮蔽性能も変化する。ブランケット設計とは、この多目的な制約の中で一貫した妥協点を見出す作業であり、炉全体の設計において最も制約の多い機器の一つとされる。

増殖材・増倍材:セラミックペブルベッドとベリリウム

トリチウム増殖材には大きく分けて二つの系統がある。一つはリチウムを含む固体セラミック(チタン酸リチウム Li2TiO3、オルトケイ酸リチウム Li4SiO4 など)であり、もう一つは後述の液体リチウム系材料である。固体増殖材は1970年代後半から集中的に研究されてきた。セラミックをブランケットに組み込む形態としては一体成型のペレットと、直径1 mm 程度の球(ペブル)を充填した「ペブルベッド」が候補となってきたが、複雑な形状への組立てが容易であること、空隙ネットワークが均一でパージガスが流しやすいこと、ひび割れや照射損傷に対する感度が低いことから、ペブルベッド形式が多くの設計研究で採用されている。ペブルベッドには、経済的な製造速度、高い充填密度(スミア密度)、十分な有効熱伝導率、許容できるパージガス圧力損失、十分な圧壊強度、熱サイクル耐性といった工学的要件が課され、これらを満たすため、球の製造技術から充填層の熱・力学挙動のモデル化(粒子法と流体解析を組み合わせた評価など)まで幅広い研究が続けられている。増殖したトリチウムはヘリウムなどのパージガスを充填層に通して回収されるため、セラミック内部でのトリチウム保持(トリチウムホールドアップ)を小さくすることが材料開発の中心的な要求となる。

中性子経済の観点では、リチウム反応に使える中性子を確保するため、中性子を2個以上に分裂させる「中性子増倍材」が必要となる。最も一般的な増倍材はベリリウムであるが、融点が約1285 ℃と低く、中性子照射によるスエリング(膨張)が約500 ℃から始まるため、より高温で運転することが想定されるDEMO炉への適用は厳しい。このため融点の高いベリリウム金属間化合物(Be12Ti、Be13Zr など)が先進的な増倍材として研究されており、材料特性の評価とペブル形状への製造技術の両面で実現可能性が示されてきた。なお、増殖材の資源問題にも関心が向けられており、海水から回収したリチウムを用いて増殖材を試作する研究も行われている。

液体金属ブランケットとMHD熱流動

もう一つの系統は、液体リチウム、リチウム―鉛合金(PbLi)、あるいは溶融塩を増殖材と冷却材の両方に兼ねさせる液体金属ブランケットである。液体増殖材は固体と違って流動させることができ、熱の搬出とトリチウム抽出を連続的に行える点で魅力的であり、PbLiを用いる二機能(dual functional)ブランケット概念などが研究されている。一方で液体金属は導電体であるため、強磁場中を流れるときに電磁流体力学(MHD)効果が現れる。磁場中を横切って流れる導電性流体には起電力が生じ、壁を通じて電流が閉じると、磁場と電流の相互作用によるローレンツ力が流れを抑制する。その結果、配管やダクト内の圧力損失が通常の水力損失を大きく上回って増大し、流れの断面分布も変形して熱伝達特性が大きく変わる。このMHD圧力損失はポンプ動力を支配する主要な設計制約であり、ダクトの形状(磁場に平行な面を広く取る配置)、壁の電気伝導率、そして壁面に電気絶縁被覆を設けて電流経路を断つ「絶縁障壁」の技術が研究されてきた。さらに、強磁性体の壁材が磁場を局所的に変形させるとMHD流れに影響を与えること、アクセスダクトのような三次元形状部で圧力損失や熱流動が複雑になること、プラズマの過渡現象が液体金属流れに与える影響など、三次元的なMHD熱流動解析が設計上不可欠となっている。これらの流れを実験的に検証するため、強制対流によるPbLiループ(トリチウム抽出実験ループなど)や、液体金属MHD流れ専用の試験施設が整備され、数値モデルの検証データが蓄積されている。

中性子工学とトリチウム増殖性能

ブランケット内で中性子がどう輸送され、どこで反応し、どれだけの熱を放出するかを定量的に予測するのが中性子工学(ニュートロニクス)であり、増殖比・核発熱分布・遮蔽性能はすべてこの解析に依存する。14 MeV中性子は高速であるため、熱中性子炉のような強い温度フィードバック(例えば炉冷却材の密度変化による反応度変化)は相対的に弱いとされてきたが、高出力・高稼働率を狙う小型トカマク設計では、運転中に材料の温度・組成(照射による変化を含む)が大きく変化し、それが中性子特性に反映されるため、熱流動解析と中性子解析を双方向に結合した高精度シミュレーションの必要性が認識されつつある。特に核発熱の空間分布はブランケット内の温度分布と冷却流量の要求を直接決め、局所的な発熱ピーク(ホットスポット)は発電効率の低下、熱応力による材料損傷、冷却要求の増大を招くため、その予測精度は設計の質を左右する。

図は溶融塩ブランケットの断面モデルについて、中性子による核発熱分布(対数スケール、W/m3)と対応する温度分布(K)を並べて示したものである。発熱はプラズマ側の第一壁近傍で最も大きく(約107 W/m3のオーダー)、奥に向かって数桁減衰する様子が見て取れ、この発熱分布がそのまま温度勾配の形に写像されている。このような空間分解された発熱―温度の結合解析により、ホットスポットの位置と冷却設計の妥当性を設計段階で評価することが可能になる。

中性子特性の予測が正しいことを確認するには、実験との照合が不可欠である。14 MeV中性子源を用いてブランケット模擬体中の反応率分布や増殖特性を測定し、解析コードと核データの検証を行う統合中性子実験が国際協力のもとで実施されてきた。また、運転に伴う材料の燃焼(リチウム6の枯渇など)が中性子スペクトルを時間とともに変化させ、増殖比や発熱分布を経時的に変えることも解析対象であり、炉寿命を通じた増殖性能の維持が設計要件に含まれる。

構造材料・寿命・RAMI

ブランケットの構造材には、14 MeV中性子による照射損傷(原子変位とヘリウム・水素の生成)に長期に耐え、かつ放射化(炉の廃止後に長寿命放射性廃棄物を生じないこと)の観点から低活性化であることが求められる。この要求に応える材料として低活性化フェライト/マルテンサイト鋼が中心的な候補であり、代表的な材料としてF82H系の鋼が研究されてきた。熱間等方圧(HIP)接合によるブランケット構造体の製造技術、接合部の引張・衝撃特性の評価、被覆(アルミナイド被覆など)が溶接部の浸透や組織に与える影響、さらにバナジウム合金など低活性化材料の製造技術開発も進められている。液体金属系では、リチウム―バナジウム系ブランケット向けに電気絶縁被覆の開発・試験が行われるなど、材料開発はブランケットの概念選択と密接に結びついている。

構造設計上の最大の課題の一つは、トカマクがパルス運転する機器であることによる疲労である。プラズマの点灯・消灯の繰り返しがブランケットに周期的な熱・機械負荷を与え、これが数万回以上の繰り返しに耐えるかどうかが炉の寿命を決める。近年は、材料劣化機構に基づく損傷予測モデル、運転負荷スペクトルの特徴付け、寿命予測と信頼性評価を組み合わせた確率論的フレームワークが提案され、水冷セラミック増殖ブランケット設計への適用を通じて、疲労寿命の確率的評価や故障率・平均故障間隔といった信頼性指標の算出が試みられている。この方向性が重要なのは、ブランケットの信頼性・可用性・保全性・検査性(RAMI)が商用核融合炉への道筋における主要な課題と認識されているにもかかわらず、核融合環境下での故障モードや故障率データがほとんど存在しないためである。ブランケットは炉心に最も近い場所で最も苛酷な環境に置かれるため、故障した場合の交換・修理の容易さ(保守性)も設計の初期から織り込む必要があり、設計最適化とRAMI評価を一つの枠組みで扱えるかどうかが、DEMO以降の炉設計における実質的な関門となっている。