ステンレス鋼

ステンレス鋼は、鉄を主成分としクロムを十分に含ませて表面に不動態皮膜を形成させた合金鋼であり、核融合装置において最も基本的な構造材料の一つである。真空容器、ブランケット構造体、ダイバータ周辺構造、配管・支持構造など、プラズマに直接接する第一壁・遮蔽領域を除く大部分の金属構造に用いられてきた。核融合環境が材料に要求する条件、すなわち中性子照射、低温から高温までの幅広い使用温度、トリチウムとの共存、プラズマ異常事象への耐性という観点から、オーステナイト系ステンレス鋼、とりわけ316系合金が長年にわたり研究と規格化の対象となってきた。

ステンレス鋼としての核融合構造材料

核融合炉の構造材料には、(1) 高い中性子照射耐性、(2) 液体窒素温度近くから数百℃までの機械的特性の安定性、(3) 溶接などの加工性、(4) トリチウムの透過・滞留の管理可能性、(5) 経済的な製造性、が同時に求められる。ステンレス鋼はこれらの総合バランスに優れ、特に初期の核融合実験装置から国際熱核融合実験炉(ITER)の設計段階に至るまで、第一候補材料として評価され続けてきた。

ITERの構造材料選定を目的とした大規模な評価では、フェライト系・マルテンサイト系を含む各種ステンレス鋼が比較され、結果としてオーステナイト系、正確には316LN組成が最適と結論された。オーステナイト系が選ばれた主な理由は、低温での靭性が高いこと、体心立方構造の鋼と異なり低温での脆性破壊の懸念が小さいこと、そして高速増殖炉などで蓄積された長年の使用実績と材料データベースがあったことにある。フランスでは4世代にわたる高速増殖炉で同系統の鋼が使用されており、その経験が核融合分野の規格策定に直接反映された。設計評価では、物理的・機械的・環境的性質それぞれについて基準値と傾向曲線、さらに必要に応じて上下限の設計曲線が整備され、照射による特性変化が設計に組み込まれた安全余裕内に収まるかどうかで適合性を判断する手法が取られた。この枠組みでは、200℃以下または400℃前後の温度域で10 dpa(原子当たりの変位回数)程度までの照射であれば、特性変化は安全余裕内に収まると評価された。

組成と核融合用グレード