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。

図は照射前（左）と照射後（右）の同一ターゲットを写しており、CPS表面の形態が高熱負荷によって大きく変化したことが分かる。このような損傷が固体装甲では不可逆的な亀裂や破損につながるのに対し、液体金属では表面の補給によって運転を継続できる点が利点とされる。

プラズマ対向材料としての応用：ダイバータとリミタ

ダイバータターゲットへの応用が最も活発に研究されている。候補材料としては低原子番号でリサイクリングを低減するリチウムが第一候補とされてきたが、炉運転温度での高い蒸気圧が燃料希釈を悪化させる恐れがあり、水素同位体との親和性からトリチウム回収技術も必要になる。これに対しスズは蒸気圧が低くトリチウム保持も少ないが、原子番号が高いため不純物流入とコアへの蓄積、放射損失の厳密な管理が不可欠である。欧州のDEMO設計研究では、CPS型液体金属ダイバータについてリチウムとスズの比較がプラズマ輸送シミュレーションで検討されており、材料選定がプラズマ性能と排熱性能の両面からのトレードオフであることを示している。

液体金属表面に強い熱負荷がかかると、表面から蒸発した金属蒸気がプラズマ化して表面の前方に雲を形成する。これは蒸気シールドと呼ばれる機構で、蒸発・放射・対流という追加の排熱経路を提供し、入射熱流を緩和する。リチウムやスズを用いた線形プラズマ装置・高熱流束実験では、スズ蒸気雲が表面温度約1800–2000 Kで自立的に形成され、液体表面に到達する熱流を数割低減することが観測されている。この機構が制御できれば、固体では耐えられない過渡熱負荷にも液体表面が耐えうることになる。

流動型の概念では、薄膜流や自由落下流をダイバータ・リミタ表面に沿って流し、入射熱を下流で回収する。多層の溝による流体攪拌の提案や、薄い液膜の完全発達流のモデル化など、流れの設計指針を与える研究が進められている。一方、静的な自由液面はプラズマ中で不安定になりやすく、実験機で液滴の放出とディスラプション誘発が観測された経緯があり、この点は後述の安定性の節で扱う。

液体金属ブランケットと増殖

炉のエネルギー回収とトリチウム増殖の観点からも、液体金属は有力な材料である。リチウムを含む液体金属はプラズマ中の中性子からトリチウムを増殖できると同時に、優れた熱伝導性によって冷却媒体を兼ねることができる。代表的な概念が自己冷却型液体金属ブランケットと双冷却型鉛リチウム（DCLL）ブランケットであり、後者では鉛リチウムが増殖材と冷却の一部を担い、別系統のヘリウム冷却と併用される。

ただし液体金属ブランケットでは、強磁場中を導電性流体が流れることに起因する磁気流体力学（MHD）圧力損失が設計を支配する。流路の壁が導電性であるほど誘導電流が壁を通じて閉ループを形成し、ローレンツ力による圧力損失が増大するため、電気絶縁性の流路挿入体（フローチャンネル・インサート）で流体と導電性構造壁を電気的に切り離す工夫がなされる。挿入体の変形や接触抵抗が流れの圧力損失と速度分布にどう影響するかは、ブランケット設計の重要な検討項目である。また、複数の流路を合流・分配するマニホルド部では流路間の電気的な結合を通じて流量の偏りが生じるため、MHD流量配分の制御も研究課題となっている。事故解析コード向けの液体金属物性ライブラリの整備など、安全性評価の基盤整備も進んでいる。

液体金属流の磁気流体力学

液体金属の挙動を特徴づけるのがMHD効果である。導電性流体が外部磁場中を動くと流体内部に電流が誘導され、これが外部磁場と相互作用してローレンツ力（MHD抗力）を生む。この体力が流れを抑制し、閉じた流路では圧力損失として現れる。効果の強さは無次元数で整理され、誘導電流と粘性の比を表すハルトマン数が基本となる。ハルトマン数が大きいと、磁場に垂直な壁面近くに薄い境界層（ハルトマン層）が形成され、コア部の流速はほぼ一様になる。磁場に平行な側壁近くにはシャークリフ層と呼ばれる別の境界層が現れ、ここに自由液面側へ向かう速度ジェットが生じることが知られている。

プラズマ対向部品の流動型概念では、流れは傾斜開水路中の自由液面薄膜流としてモデル化される。開水路では自由表面の圧力が大気圧に固定されているため、MHD抗力が生じると液膜が厚みを増して静水圧を高め、これがMHD圧力損失と釣り合う。すなわち磁場の強さが液膜厚さの設計指標を直接決めるのであり、磁場強度・磁場傾斜角・流量・流路壁の導電率に対する液膜厚さのスケーリング則が理論・数値シミュレーション・実験の三者で検証されることが、流動型対向部品の実現可能性評価の出発点となる。

図はこの物理モデルを示したもので、導電性の壁からなる傾斜開水路を横断磁場が貫き、その中を自由液面をもつ液体金属薄膜が流下する様子を描いている。磁場方向に沿った表面波の抑制や液膜の厚化・減速は、この系で観測される代表的なMHD効果である。実験では、磁場を横切る方向の表面波が強く抑制され流れ方向の波だけが伝播すること、電流注入によってローレンツ力で自由液面流や hydraulic jump を能動制御できることが示されており、MHD効果は障害であると同時に流れ制御の手段にもなる。

安定性、MHD不安定性と安全上の課題

液体金属表面の安定性は、実用化を左右する核心的問題である。静的な自由液面は磁化プラズマにさらされると不安定になることが理論的に示されている。プラズマは液体表面を急速に帯電させてシース（自己誘導電場の領域）を形成するが、このシース電場による反発力が表面張力による復元力に打ち勝つと液面が波打ち、液滴の放出に至る。さらに磁化プラズマ中では帯電した液体と磁場の相互作用が不安定を助長し、液面を設置する極角（重力に対する向き）も不安定化の要因となる。粘性は不安定の成長率と発現時間尺度を抑える減衰として働く。このため、多孔体に保持する静的方式や電磁力で流す動的方式が、自由液面そのものより安定性の面で有利とされる。

図は磁化プラズマにさらされた静的な平面液体金属自由液面の模式図で、上方のバルクプラズマとの間に形成されるシースとその電場、磁場成分、そして摂動を受けた液面の波を描いている。シース電場の反発と表面張力の競合が不安定の駆動機構であることを示している。

安全面では、液体金属そのものの化学反応性が別の課題となる。リチウムは水や空気と激しく反応するため、融合施設内での漏洩を想定した化学反応安全性の評価が必要であり、物性データベースの整備と併せて事故解析の対象となっている。さらに、強磁場下の自由液面には電磁力起因の表面不安定性があり、誤差磁場を液体金属壁が遮蔽するというプラズマ側への逆効果（むしろ利点）も指摘されている。液体金属対向部品は固体タングステンに比べて技術成熟度がまだ低く、実機条件での高熱流束試験、濡れ性制御、トリチウム管理、MHD設計手法の確立といった研究開発が、炉実現に向けて継続的に求められている。