液体金属

液体金属とは、融点が比較的低い金属——リチウム、スズ、ガリウム、あるいはその合金——を溶融した状態で使う材料であり、核融合装置ではプラズマに直接さらされる部材（プラズマ対向材料）やブランケットの熱媒体・増殖材として注目されている。固体のタングステンなどと違い、液体は表面が溶融・流動することで損傷が可逆的であり、蒸発や流れによって入射した熱と粒子を絶えず運び去ることができる。この「自己修復性」が、液体金属という発想の核心である。

融合装置における液体金属の役割

核融合炉の成立を左右する最大の工学的課題の一つが、プラズマからの排熱処理である。炉心プラズマの外縁で断続的に放出されるエッジ局在モード（ELM）や、制御不能なディスラプション時には、固体のタングステン装甲に繰り返し巨大な熱応力がかかり、深い亀裂や溶融、冷却系の破損に至る。タングステン対向壁を炉規模で使うには、放射損失率がほぼ全放射に近い、ELMのない極めて特殊な運転シナリオに依存せざるを得ず、その成立には不確実性が大きい。

これに対し液体金属対向壁は、溶融層が犠牲的に蒸発・変形しても下地構造を保護し、表面が自己修復・自己補給されるため、過渡事象に対する耐性が本質的に高い。また、リチウムのように水素リサイクリングを低減する材料はプラズマ閉じ込め性能の向上をもたらすことが実験機で知られている。液体金属の利用は1970年代にすでに提案され、2000年前後のAPEX計画を経て、現在では国際的な研究プログラムに組み込まれている。

供給方式には大きく二つある。一つは毛細管多孔体（キャピラリ・ポーラス・システム、CPS）に液体金属を保持する静的方式で、多孔体の毛細力が液体を固定するため電磁力による飛散が抑えられ、ロシアの研究グループが1990年代に提案して以来、各国のトカマク実験で試験されてきた。もう一つはガイド溝や斜板上を電磁力や重力で流す動的方式で、熱・粒子除去性能に優れる一方、濡れ性の温度依存性や熱電磁流体駆動の制御が課題となる。液体金属をプラズマにさらす実験は、リチウムを用いた複数のトカマク、ガリウムを用いたトカマク、スズを用いたトカマクなどで行われてきた。

液体金属ターゲットの実際の姿を示すのが次の図である。円形のメッシュ状要素に液体スズを含浸させたCPSターゲットで、中央にラングミュアプローブ先端が埋め込まれている。