第一壁・材料の課題｜1億度の隣で耐える極限素材

核融合の実現を阻む、地味だけど超重要な壁——それが材料です。1億度のプラズマの隣で、装置はどう耐えるのでしょう。

プラズマに面する「第一壁」

炉の内側でプラズマに最も近い壁を第一壁と呼びます。ここは強烈な熱と、核融合で飛び出す高エネルギーの中性子を浴び続けます。ふつうの金属では、すぐ傷んでしまいます。

中性子が材料を「劣化」させる

中性子は電気を帯びていないので磁場で止められず、壁に突き刺さります。すると材料の原子配列が乱れ、金属が脆くなったり膨らんだりします（照射損傷）。しかも材料自体が放射化することも。これに耐える素材の開発が、実用化の大きなハードルです。

もう少し詳しく（背景と理論）

核融合炉の材料は、核分裂炉より過酷な条件に晒されます。14 MeV の高速中性子による格子損傷（dpa）に加え、核変換で材料内にヘリウムと水素のガスが生成して結晶粒界に溜まり、脆化・膨潤（スエリング）を引き起こします¹。もう一つの要請が低放射化——中性子で放射化しても短期間で減衰する元素で構成し、放射性廃棄物を減らすことです。ニッケルやモリブデンを避けた低放射化フェライト・マルテンサイト鋼（RAFM）や SiC/SiC 複合材が主要候補です²。プラズマに直接面するダイバータは熱流束が数十 MW/m² に達し、融点の高いタングステンが使われますが、中性子照射下での長期健全性は未確立です³。こうした材料を実環境で試すための強力中性子源（IFMIF-DONES 等）の整備が、実用化の前提として進められています。

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Footnotes

1. 高速中性子は原子を弾き出す（dpa）だけでなく、(n,α)反応でヘリウムを生成する。ガス原子が空孔と結びつき、脆化・膨潤・粒界弱化を招く。 ↩

2. 低放射化材料は、放射化しても半減期の短い元素で構成し廃棄物負担を減らす。RAFM鋼（Eurofer等）やSiC/SiC複合材が構造材候補。 ↩

3. ダイバータは熱・粒子の排出口で熱流束が特に高い。高融点のタングステンが有力だが、中性子照射＋熱サイクル下での寿命評価が課題。 ↩