炭化ケイ素繊維

炭化ケイ素繊維(サイカーファイバー、SiCf)は、炭化ケイ素(SiC)を主成分とするセラミック繊維であり、それを強化材としてSiCマトリックス(母材)中に編み込んだ「SiC繊維強化SiC複合材料(SiCf/SiC)」の形で、核融合炉の構造材料候補として研究開発が進められてきた。セラミックは一般に脆く、き裂が入ると一気に破断するが、繊維強化複合材料では繊維とマトリックスの界面を適度に弱く設計することで、き裂が繊維をなめって進み、破壊に至るまでのエネルギー吸収を大きくできる。この「耐故障性(fail-safe)」的な破壊挙動が、構造材料としてのセラミック利用を初めて現実的なものにした。核融合炉でSiCf/SiCが注目される最大の理由は、低放射化・低崩壊熱である。鉄鋼材料では中性子照射により生成する放射性核種が廃炉後の管理を長期化させるのに対し、SiCはCとSiのみからなるため、照射後に生成する放射能が低く、減衰も速い。さらに高温での機械強度が金属よりはるかに高く、冷却材温度を高く取れるため発電効率の向上が期待できる。一方で、熱伝導率・照射安定性・気密性・複雑形状への成形性・接合技術など、解決すべき課題も多く、長期にわたる研究の対象となってきた。

SiC繊維とSiCf/SiC複合材料

SiCf/SiC複合材料は、炭素繊維と同様の手法で織ったSiC繊維の布や束を骨格とし、その隙間をSiCで埋めた構造をしている。繊維そのものは、有機ケイ素ポリマー(ポリカルボシランなど)を紡糸・焼成して作られる。初期の繊維は酸素や過剰炭素を含み、中性子照射で収縮・強度低下を起こしたが、高純度・低酸素化、化学量論組成への近づけ、結晶粒径の制御といった繊維品質の改良が進み、照射下でも特性を保つ第二世代・第三世代の繊維が実用化された。繊維とマトリックスの間には、き裂を偏向させるための薄い界面層(炭素やホウ素窒化物)が意図的に設けられる。この界面の性質が複合材料の靭性を決める鍵であり、界面が強すぎると脆性的に破壊し、弱すぎると強度が出ない。織物の積層構造には、二次元(平織りの積層)、2.5次元、三次元(繊維を立体方向にも配向)といったバリエーションがあり、三次元構造は厚み方向の強度を高めるために用いられる。

製造法:CVI、PIPおよびハイブリッド法

繊維骨格の隙間をSiCで埋める代表的な二つの手法が、化学気相浸透(CVI)とポリマー浸漬・熱分解(PIP)である。CVIは気相の前駆体ガスを繊維プリフォーム中に拡散させ、繊維表面にSiCを析出させる方法で、高純度で結晶質の、特性の良いSiCが得られる。ただし反応が表面から進むため、内部まで完全に充填するのに長時間を要し、残留気孔が避けられない。PIPは液体ポリマーにプリフォームを浸漬し、焼成してSiCに変換する操作を繰り返す方法で、工業的な生産性に優れるが、得られるSiCは非晶質で酸素を含み、特性はCVI品に劣る。この両者の長所を取るため、CVIで骨格の表面を覆ってからPIPで充填する、あるいはその逆の組み合わせによる「ハイブリッド法」が開発され、特性とコストの最適化が図られた。また繊維表面への熱分解炭素皮膜を連続CVD炉で高速に形成する技術など、界面層形成の工程最適化も進められている。熱間圧延に相当するホットプレスによる成形も研究されたが、繊維に損傷を与えやすいことから、複雑形状の部品には浸透系の手法が主に用いられる。

中性子照射・高温下での特性

構造材料としての成否を分けるのは、中性子照射と高温の同時負荷下での特性である。SiCは照射により点欠陥が蓄積して寸法変化(膨張・収縮)と熱伝導率低下を起こす。特に熱伝導率の低下は深刻で、非照射状態で高い熱伝導率を持つ材料でも、照射によって数分の一以下に落ちるため、炉設計では照射後の値を基準にせざるを得ない。オランダの高熱流束炉(HFRペッテン)などで繊維・マトリックス・複合材それぞれを高温で照射する試験が行われ、繊維品質の改良が照射後特性の改善に直結することが確認された。高温照射下での機械特性・熱特性の評価は、材料データベースの整備と設計基準の策定に向けた中心的な研究課題であり、複合材料構造の力学的挙動のモデル化と設計基準の構築も並行して進められた。複合材料はき裂が分散して進行するため、単一の強度値ではなく確率的な破壊挙動を扱う必要があり、これは設計手法上の特異な点である。さらに、プラズマの異常加熱やディスラプションに相当する急加熱・急冷却(熱衝撃)に対する耐性も、二次元複合材を用いた試験で評価されている。

ブランケット環境での化学的適合性とトリチウム

核融合炉のブランケットでは、増殖材・冷却材として液体リチウム鉛合金(LiPb)やリチウム系材料がSiCf/SiCに直接接触する。700℃程度の静的LiPb中での浸漬試験により、SiCf/SiCとLiPbの化学的適合性が評価され、PIP材とCVI材で腐食挙動が異なること、マトリックスの密度や純度が耐食性を左右することが示された。液体金属と導電性壁が相対運動すると電磁流体(MHD)抵抗が生じるため、SiCf/SiCを流路インサート(絶縁ライナー)として用いる構想があり、ポロイダル流路でのMHD流れと熱伝達の数値解析が行われている。トリチウムの観点では、SiCf/SiCは水素透過を許すため気密性が課題であり、三次元複合材の繊維とマトリックスそれぞれでの重水素輸送の特性評価が行われた。一方で多孔質マトリックスの透過性を逆に利用し、LiPb中に溶存するトリチウムを多孔質SiCf/SiCカラムで効率的に回収するペリメーター(透過回収器)の概念が提案され、二次元複合材を用いた回収実験が行われている。リチウム系増殖材のSiCf構造体中での浸透挙動の評価も、増殖ブランケットの設計に向けた研究として進められた。

ブランケット・動力炉心設計における役割

SiCf/SiCを構造材料とするブランケット概念は、冷却材の違いにより大きく二つの系統に分けられる。ヘリウムガス冷却系と、LiPbを冷却材・増殖材と兼ねる液体金属冷却系である。前者は化学的適合性の問題が小さい代わりに冷却能力が限られ、後者は高い冷却性能と増殖性能を持つが、MHD絶縁と腐食の問題を抱える。液体金属冷却SiCf/SiC構造を用いたダイバータ概念の性能評価も行われている。国際的な発電炉設計研究では、SiCf/SiCベースの動力炉心が複数回検討され、低誘導放射能・低崩壊熱による安全性の利点と、高温運転による高性能化の可能性が繰り返し指摘されてきた。誘導放射能の評価では、CVI材に含まれる不純物(酸素、金属不純物など)が放射化特性に与える影響が解析され、材料の純度管理が安全性評価の一部となっている。複合材料構造の力学的挙動のモデル化と設計基準の整備は、これらの設計研究を支える前提であり、現時点で確認されていない物性値については保守的な仮定を置くことが推奨されてきた。SiCf/SiCが実用構造材料となるには、照射後特性の確認、接合技術、複雑形状成形、量産性という課題の解決が前提であり、これらは長期の研究開発計画の中核項目として位置づけられている。