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。