低放射化フェライト/マルテンサイト鋼

低放射化フェライト/マルテンサイト鋼（RAFM鋼）とは、核融合炉のブランケットなど炉内構造材料を想定して、照射後に生じる放射性廃棄物の長期残留を抑えるよう合金成分を設計したフェライト/マルテンサイト系鋼である。1980年代初頭、高クロム耐熱鋼Mod9Cr-1Mo（Grade91）を基に、放射化の寄与が大きいモリブデンをタングステンに、ニオブをタンタルに置き換えるという発想で提案された。現在ではF82H（Fe-8Cr-2W-0.2V-0.04Ta）やEUROFER-97（Fe-9Cr-1W-0.2V-0.12Ta）をはじめ各国の類似鋼種が開発され、データベースと産業的な製造実績の両面で、核融合炉構造材料として最も技術的に成熟した候補とされている。その代表的な組織の様子を下の図に示す。

図はピクリン酸でエッチングしたRAFM鋼の光学顕微鏡組織であり、数10 μm程度の焼戻しマルテンサイトの結晶粒が敷き詰めた様子が分かる。

定義と低放射化設計の考え方

核融合炉の構造材料は、高エネルギーの14 MeV中性子を高フラックスで浴び続ける。中性子は原子核と反応して放射化核種を生成するため、炉の運転終了後も材料自体が放射能を持つ。廃棄物の浅地層埋設処分が許容される線量基準を満たすためには、中性子照射によって長半減期の放射性核種を生成しやすい元素を材料から排除することが根本的に重要となる。これが「低放射化」設計の出発点である。

具体的には、耐熱鋼で高強度化に使われていたモリブデン（照射により長半減期核種を生成する）をタングステンに、ニオブをタンタルに置き換える。ニッケルも同様の理由で配合しない。こうして得られたRAFM鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼（316LNなど）と比べて、放射化レベルが低いことに加え、が高い（クロム含有量が少ないため）、熱膨張係数が小さい、そして照射による体積膨張（スエリング）耐性が優れているという実用上の利点を持つ。熱伝導と熱膨張の両面での有利さは、ブランケットが受ける大きな熱応力の緩和に直結する。