炭化ケイ素

炭化ケイ素(SiC)は、ケイ素と炭素の共有結合からなるセラミックス材料であり、核融合炉の構造材料およびプラズマ対向材料の候補として研究が続けられてきた。融点が高く、高温での機械的強度に優れ、中性子照射による誘導放射能が小さいという特徴を併せ持つことが、この材料を融合分野に引きつける根本的な理由である。特に炭化ケイ素は、炉構造材料に求められる「低放射化」という要請に対して、タングステンや鉄系合金とは質的に異なる答えを提供する。ここでは、炭化ケイ素がなぜ融合炉材料として注目されるのか、その複合材料化の技術、照射効果、そして応用と残された課題について述べる。

融合炉材料としての特性と低放射化

核融合炉の構造材料には、強い中性子場に長期間晒されても炉自身が長寿命の放射性廃棄物にならず、炉停止後の保守や廃棄が容易であることが求められる。炭化ケイ素の最大の強みはここにある。中性子吸収断面積が小さく、照射によって生成する放射化核種の寄与が小さいため、照射後の誘導放射能と崩壊熱(アフターヒート)が構造材料候補の中で最も低い部類に入る。これは安全設計上の利点にとどまらず、炉の保守性そのものに関わる。炭化ケイ素複合材料を主構造材とするトカマク炉概念(保守の容易さを設計の中心に置いたもので、ヘリウムガス冷却と組み合わせられる)では、材料が絶縁体でもあることを利用して、コイルや炉構造の設計自由度とアクセス性を高める方向性が検討されてきた。冷却材入口・出口温度をそれぞれ500℃・800℃程度とする高温運転は、熱効率40%超を可能にする見込みであり、これは金属材料炉では得がたい水準である。

プラズマ対向材料として見た場合にも、炭化ケイ素は特異な位置を占める。低Z材料であるため、万一プラズマ中に不純物として入っても、高Zのタングステンに比べて輻射損失によるプラズマ冷却影響が小さい。高熱負荷下では溶融せず昇華するという挙動も特徴で、局所的な溶融滴の飛散というリスク形態がタングステンとは異なる。水素(重水素)の拡散が低く、化学侵食と燃料(トリチウム)保持がグラファイトより少ないことも、壁材料としての利点とされる。実際、トカマク実験装置でのコーティング試験や、グラファイト壁を置き換えた場合のコアプラズマの有効電荷(Zeff)が低下しうるという予測があり、酸素のゲッタリング作用が一因と考えられている。

一方で、プラズマへの露出は材料表面を絶えず侵食する。重水素イオンや炭素イオンの入射に対するスパッタリング収率は入射エネルギーに強く依存し、結晶と非晶質で大きく異なる。図は、重水素イオンと炭素イオンを入射した際のスパッタリング収率を、結晶質と非晶質の炭化ケイ素で比較したものである。低エネルギー域では非晶質表面の収率が結晶質より一桁以上高く、また炭素がケイ素に優先的にスパッタされるため、表面がケイ素リッチに変質する(いわゆる「シリコン化」)。このことは、結晶質炭化ケイ素を壁に用いても、プラズマ照射を受けた表層は非晶質化し、侵食挙動が時間とともに変わることを意味する。壁の寿命や不純物源としての評価には、この表面進化を考慮した予測が不可欠である。

SiC/SiC複合材料:繊維、界面、製造法

単相のセラミックスは脆性破壊するため、構造材料としては炭化ケイ素繊維で強化した炭化ケイ素母材の複合材料(SiCf/SiC)が主役となる。複合化の原理は、繊維と母材の間に弱い界面層を設けることで、き裂が母材を貫通する代わりに界面で偏向・分岐し、繊維の引き抜きによってエネルギーを散逸する、というものである。これにより、セラミックスでありながら破壊に先立つ擬似的な塑性挙動(損傷許容性)を示す材料が得られる。

この構造には二つの技術的要点がある。第一は繊維そのものの品質である。初期の炭化ケイ素繊維は酸素や過剰炭素を含み、高温でのクリープ抵抗と照射安定性に難があったが、より化学量論比に近い高結晶性繊維の開発により、これらは大幅に改善された。第二は繊維/母材界面である。従来の界面層には炭素(または炭素と窒化ホウ素)が使われてきたが、炭素は中性子照射や化学環境に対して不安定であり、これが複合材料全体の弱点となった。そこで多孔質SiC層やSiC/C/SiC多層界面のように、界面中の炭素を最小化した界面構造の開発が進められた。

母材の形成法には大きく三つの系統がある。化学気相浸透(CVI)法は繊維プリフォーム中に気相からSiCを析出させる方法で、高品質な母材が得られるが緻密化に時間がかかり、微細な残留空隙が残る。ポリマー浸漬・熱分解(PIP)法はSiC前駆体ポリマーを繰り返し含浸・焼成する方法で、複雑形状に向くが同様に多孔質になりやすい。さらに反応焼結やナノ粉末の超高圧緻密化など、緻密な母材を狙うルーチンも研究されている。製造法の選択は、後述の緻密性(ガス遮蔽性)や耐食性に直結するため、単なる工程の違い以上の意味を持つ。複合材料は繊維配向によって軸方向と軸直交方向の機械特性が大きく異なる異方性材料であり、炉構造部材への適用にはこの異方性を織り込んだ構造設計と破壊力学評価が前提となる。

照射効果:非晶質化、スエリング、熱伝導率の低下

中性子照射が炭化ケイ素に及ぼす影響は、この材料の実用化を左右する最も重要な物理的問題である。高エネルギー中性子は原子を弾き出して格子欠陥のカスケードを作る。炭化ケイ素は一般のセラミックスより耐照射性が良いとされるが、それでも損傷量( displacements per atom, dpa )が増すと結晶構造は徐々に崩れ、非晶質へと転移する。非晶質化に伴い体積が膨張する(スエリング)。さらに、中性子と核反応によって材料内部でヘリウムが生成する(トランスミューテーション)。ヘリウムは格子中にほとんど溶け込めず、バブルを形成して損傷を悪化させる。ヘリウムイオン照射実験では、格子間隔の膨張と引張ひずみ、SiC4四面体構造の破壊、そしてヘリウムバブルと非晶質化が確認され、これらの欠陥蓄積がフォノン散乱を強めて熱伝導率を下げることが示された。非照射時におよそ190 W/(m·K)あった熱伝導率は、5.46 dpa相当の照射で4.65 W/(m·K)まで低下した。この二桁近い低下は、構造設計上決定的に重要である。炉の壁はプラズマからの熱を冷却材へ運ぶ役割を担い、熱伝導率の低下は同じ熱流に対して材料内温度勾配を急峻化し、部材温度と熱応力を押し上げるからである。

図は、1 keVの重水素イオン照射による表面非晶質化の計算結果で、照射量(フルエンス)の増加とともに非晶質層が表面から深さ方向へ成長していく様子を示している。これは中性子照射ではなくプラズマ中の水素同位体イオンによるものであるが、プラズマ対向材料としての炭化ケイ素では、この表層非晶質化が侵食挙動を直接支配する。非晶質層のスパッタリング収率は結晶より高いため、結晶質壁の侵食速度を初期の結晶質の値で見積もると過大評価(あるいは時間発展を誤評価)になる。実際、トカマク実験では結晶質炭化ケイ素のグロス侵食が非晶質の半分以下であることが測定され、表面が非晶質化していく過程を含めた寿命評価が必要とされている。なお、中性子照射下での電気特性(多孔質材料の照射下電気特性や高温での電気・微構造劣化)についても研究が進められているが、これは後述の電気絶縁要件に関わる。

応用:第一壁、ブランケット構造、流路インサート

炭化ケイ素の応用候補は大きく三つに分けられる。第一は第一壁・プラズマ対向部材であり、前節の通り低Z不純物源としての許容性と耐熱衝撃性が評価の対象となる。アルミナやタングステンなどとの熱衝撃抵抗比較や、ELM・ディスラプション相当の過渡熱負荷試験で、タングステン系材料に対する相対的な優位性が報告されている。

第二はブランケット構造材料である。炭化ケイ素複合材料を構造材とするブランケット概念は、自冷却液体リチウム系(鉛リチウムまたはリチウム)とヘリウムガス冷却系の両方で検討されてきた。液体金属冷却系では、構造材が電気絶縁体であることが決定的に重要になる。強磁場中を流れる液体金属にはマグネトーハイドロダイナミクス(MHD)圧力損失が伴うが、壁が絶縁性であればこの損失を大幅に抑えられる。設計解析では、厚さ約10 mmの複合材に対して厚み方向の熱伝導率が1000℃で約15 W/(m·K)、電気伝導率は500 S/m以下という要件が導かれており、これを照射後も満たすことが材料開発の目標値となっている。ヘリウム冷却系では、高温冷却材による高効率発電が主な動機となる。

第三は、DCLL(双流路)型ブランケットにおける流路インサート(Flow Channel Insert)である。これは液体鉛リチウムの流路内面に挿入する電気絶縁・熱遮蔽板で、MHD圧力損失の低減と熱流の分離を同時に実現する部材であり、炭化ケイ素系材料の有力な近期的応用とされる。サンドイッチ構造のSiC部材や、多孔質SiCに緻密コーティングを施したインサート試験体の製作・評価、強磁場下での鉛リチウム流の流体力学・絶縁特性試験が行われている。インサートは構造材ほどの強度を要求されないため、構造材料より先に実用化に近い位置にあるとみられる。

残された課題:緻密性、接合、環境適合性

炭化ケイ素複合材料の実用化を阻む課題は、材料特性そのものよりも工学統合の側面に集中している。第一は緻密性(hermeticity)である。CVIやPIPで作った複合材料には微細な連通空隙が残り、ガス透過性がゼロにならない。トリチウムを含む冷却材や液体金属の漏洩・浸透を防ぐには、内面に緻密なSiCコーティングを施すか、透過係数を高温で再評価した上で設計に織り込む必要がある。第二は接合である。大型の炉構造は部材を接合して作るしかなく、Si系ろう材による接合が最良の結果を与えてきたが、複合材料側の多孔質に起因する接合部のポロシティが課題として残る。接合部は照射環境下で最も弱い箇所になりやすく、第一壁に生じたき裂の破壊力学評価と併せて、構造信頼性の中核的問題である。

第三は化学適合性である。液体鉛リチウム中での腐食・侵食は、700℃級の高温では無視できないレベルに達し、専用の高温腐食試験装置での評価が進められている。第四は、これらすべてが照射環境下で維持されるかという点であり、熱伝導率・機械特性・緻密性の照射後値が設計要件(前述の15 W/(m·K)や500 S/m以下など)を満たすことが最終的な関門となる。14 MeV中性子源によるデータベース構築が不可欠であり、重イオン照射による14 MeV中性子照射の模擬手法の検討や、SiCブロックへの14 MeV中性子照射による中性子・ガンマ線スペクトル測定と中性子工学ベンチマークが、材料データと設計解析の橋渡しとして行われている。これらの課題が解決されるかどうかは、炭化ケイ素が「有望な候補」から「炉の構造材料」へ進めるかを決めるものであり、現状では材料開発と炉設計が互いの要件を絞り込みながら進んでいる段階にある。