プラズマ対向材料の研究における合金元素の影響とは

静岡大学理学部の大矢恭久准教授の研究チームは、合肥工業大学や核融合科学研究所、量子科学技術研究開発機構などの共同研究機関とともに、タングステンにおける重水素の滞留挙動に関する新たな知見を得ました。特に、合金元素や分散粒子の役割についての系統的な比較が行われ、実験結果が示すところによると、これらの要因がプラズマ対向材料の選定において非常に重要であるとされます。

核融合炉とプラズマ対向材料の重要性

核融合炉内部にはブランケットやダイバータと呼ばれる機器が設置されており、これらはエネルギーを熱に変換したり、熱流束を受け止める役割を果たします。ブランケットやダイバータが使用される材料は「プラズマ対向材料」と呼ばれ、金属のタングステンが著名な候補として挙げられています。タングステンの特長は、その優れた熱機械特性及び耐久性にあり、長期間にわたる運転に耐えるために特別な設計が求められています。

本研究では、タングステンとその合金であるタングステン-タンタル合金、タングステン-モリブデン合金、さらにはカリウムドープタングステンの3種類の材料を対象に、重水素滞留挙動を比較しました。特にトリチウム滞留においては、タングステンが抱える課題に対して、合金元素や分散粒子の影響が鍵を握ることが示されました。

実験結果と考察

研究チームの実験によると、鉄イオン照射により導入された照射損傷はタングステンにおいて重水素滞留量を著しく増加させる一方で、タングステン-タンタル合金やタングステン-モリブデン合金では滞留量の増加が抑制されることが判明しました。具体的には、タングステンに対して滞留量の増加が1桁以上であったのに対し、前述の合金素材では約1.5～4倍にとどまりました。

これらの挙動の違いは、タンタルやモリブデンの添加によって高い捕捉エネルギーを持つ欠陥密度が減少することに起因しています。これにより、隙間に結合する水素同位体の挙動に顕著な影響を与えています。さらに、カリウムドープタングステンでは、カリウムバブルの形成により重水素の捕捉サイトが抑制されるといった結果も示されました。

今後の展望

本研究の成果は、核融合炉の原型開発に向けた新たな材料の研究開発のみならず、プラズマ対向材料の適切な選定に寄与する可能性を秘めています。2026年に発表される国際学術誌「Nuclear Materials and Energy」にもこの研究結果が掲載される予定です。これにより、タングステンを利用したより効率的で信頼性の高い燃料システム設計が期待されます。

今後も、合金元素や分散粒子の影響についての理解を深めるための研究は続き、持続可能な核融合エネルギーの実現に向けた鍵となるでしょう。