イギリスが核融合炉材に適した耐熱鋼の製造を発表

偶には未来技術についても触れていきたい。

イギリス、核融合炉材に適した耐熱鋼を製造し、建設コストを削減

2025-2-14

イギリス原子力公社（UKAEA）が推進し、核融合炉に適した先進耐熱鋼の開発を目指しているNEURONE共同研究プロジェクトチームが、7トン電気アーク炉（EAF）を用いて低放射化フェライト系マルテンサイト（RAFM）鋼を実機レベルで製造することに成功した。

Fabcross for エンジニアより

これは今日のニュースだけれども、核融合炉関連の耐熱鋼の製造が出来るよというニュースであった。でも、RAFM鋼とか言われても一般人には分からないよねぇ。

分かり易い？核融合の話

特殊素材の開発

ということで、少しばかり解説を。RAFM鋼（低放射化フェライト系マルテンサイト鋼）の開発は、核融合炉構造材料として必須であると、研究者が研究を進めている鋼材である。

簡単に言うと、高温耐性があって硬くて放射化しにくい鋼材で、壊れにくい条件を備えているのだけれども、これについては核融合とはなんですか？という話を前提にしないと始まらない。

これに関してはBOOKさんの詳しい解説をコメントに頂いていて、非常に勉強になる。読まないのは勿体ないのだ。

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2025.01.22

が、コメント欄だと読みにくいので、もしかしたら注目されていなくて勿体ないなと思い、僕の専門外ではあるんだけど、この記事でコメントの要素をお借りしつつ、軽く説明をしていきたいと思う。

核融合ってなに？

先ずは、核融合反応の解説なんだけれども、原理的にはどんな物質でも核融合反応を起こすことが可能。これは、アインシュタインによって見出された関係式、E=mc^2から予測された事実で、「融合した核の質量の一部がエネルギーに変換される」というメカニズムによってエネルギーの取り出しを行う技術である。

え？いきなり意味が分からない？

だが、皆さん、その現象は日常的に目にしているんだよね。それが「太陽」である。太陽という天体では、その表面で常に核融合反応が起こっている。だから、核融合反応の実現は「地上に太陽を作る」という風に表現されるんだ。

太陽で起きている核融合反応は、こんな風に説明できる。

元素記号の中で一番軽い物質として知られる「水素」と二番目に軽い物質として知られる「ヘリウム」。水素は原子核として陽子１つ、その周囲に電子が１つという組み合わせで、ヘリウムの原子核は陽子２つに中性子が２つ、その周囲に電子が２つが基本である。

ところが自然界には余り存在しないが、水素には「重水素（デューテリウム）」の原子核は陽子１つと中性子１つで構成されるものと「三重水素（トリチウム）」の原子核は、陽子１つと中性子２つで構成されるものがある。重水素、三重水素は水素の同位体であり、水素とは違う振る舞いをする。

一方、ヘリウムの同位体にも、「ヘリウム３」と呼ばれるものも陽子１つに中性子２つで構成されるものが存在する。これ、三重水素と構成が同じなんだけど、電子の数が違う。

でも、重水素や三重水素はヘリウム３と材料構成が近い。だから、水素に電子や中性子をぶつけて水素からヘリウムにすることが可能で、この時に莫大なエネルギーが生み出されることになる。

上の図に従って説明すると、６つの水素から水素２つとヘリウム１つが出来上がって、その一部がエネルギーとして取り出されるということになる。

つまり、核融合反応というのは大雑把に言えば物質からエネルギーを取り出す技術ということになる。ただ、現時点において、原理的に水素からエネルギーを取り出す目処しか立ってはいない。弱い相互作用とかボソンの交換とか、原子数が多くなると余計な働きをする力が強くなるんだよね。

高温環境が必要になる

もう、この時点で「ついていけない」と投げ出される方もいるかも知れないが、強調した部分を拾って頂ければ良い感じに解説しているので、もう少しお付き合い願いたい。

何故、みんな核融合に馴染みがないかといえば、太陽を目にしていても身近な環境でそれ以外の核融合反応は起こらないからだ。ブラックホールなんかも似た反応が起きているとされているが、重力の関係で莫大なエネルギーはブラックホールから出てこられない。そうすると、観測するのは難しい。

核融合反応が身近でない理由の１つは、常温下では反応しないということも関係している。逆に言えば、高温にしてやれば核融合反応を起こす可能性があるという意味でもある。

温度＝エネルギーと理解頂くと、核融合反応を起こすのには莫大なエネルギーが必要なのである。ただし、一度核融合が起きると、エネルギー収支的に取り出されるエネルギーの方が大きいので、トータルではエネルギー収支はプラスだと言うことに。

さて、水素からヘリウムを作り出す（実際に核融合炉で行われる核融合反応は、重水素や三重水素が用いられる）にあたって、核融合反応が起こされる話を書いたが、これがあくまで高温環境下で実現されるという話は書いたわけだが、その温度は何度なのかというと、数億度であると言われている。

温度とプラズマ

というわけで、BOOKさんの解説を引用していこう。

核融合1：熱と温度とプラズマ

今回は核融合の前に(^-^; 何故いっけん手に負えない超高温が、現実には手に負えちゃてることが多いか？

身近な例、融点660℃のアルミ鍋が、何故 ガスコンロの燃焼炎＝1500℃の高温プラズマ、に耐えるのか？

燃焼炎プラズマは、ほぼ空気・気体なので固体のアルミと比べ「低密度」スカスカだから温度高くても熱量小さい。

数値で言うと、空気の体積比熱はアルミの約1/2400なのでアルミ1mLを0→500℃に温めるのに必要な熱量は、1500℃の燃焼プラズマ・ガス7200mL（＝1500/500×2400）の熱量と同じ。

すなわちコンロはそれなりの時間かけないとアルミは溶けない。

逆から見ると一般的にはプラズマは低密度なのですぐ冷める。

例：炎って色で温度が判るけどコンロの炎の青色部1500℃と周りの大気の間には1000℃の部分：本来赤色があるけど、見えませんよね？

理由は、広がるとすぐ冷めるので 1000℃の領域が薄すぎて見えないんです。

コメント欄より

これを読んでピンと来なかった方は、核融合に「数億度」という環境を必要とするという前提をご存じないからだと思われる。

そもそもプラズマとは、ガスコンロを点火すると見える感じのガス体であり、一瞬だけなら火の中に手を入れても熱くない理由は、プラズマの密度が薄いから。そして、拡散しやすいからトラブルになりにくい。

逆に言えば、核融合反応はこのプラズマを閉じ込める必要があって、そのために莫大な電気を使って電場・磁場を作り出してプラズマの閉じ込めを行っている。閉じ込めてあげないと直ぐに拡散しちゃうからね。

そしてその事が安全性にも繋がるわけだ。

炉の壁に使っている素材が溶けないのも、プラズマの密度が低く電場や磁場によって閉じ込められているからに過ぎない。

D-T核融合

さて、次にいこう。

核融合2. 核融合炉は2億℃

また熱のハナシから、巷に溢れる説明「核融合炉は超高温が必要で閉じ込めに苦労する」、、、

、、、誰が言い出したかコレ、非常に誤解を招く悪文で誤解が一人歩き。

素直に解釈すれば「超高温に耐える物質が無いので閉じ込めに苦労する？」？私も長年騙されてたけど(笑) んな意味じゃありません。

正しい意味は「狭い範囲へのプラズマ閉じ込めが難しくて、すぐ広がる。するとプラズマ冷めて核融合止まっちゃう」です。

開発中のD-T核融合 (D：重水素、T：三重水素 ＝トリチウム) では 核融合起こすのにDとTの衝突エネルギーとして温度換算2億℃必要

主流のトカマク型炉では1/10万 気圧の真空の部屋にD,T原子を含んだガスを入れ、外から電磁場を掛けて

・ D,Tをイオン化(電離させてプラズマにする) ・電磁場でイオンをドーナツ状の軌道を描くよう加速 ・ドーナツ状の領域からイオンが出ないよう電磁場制御

こうして電磁場でD,Tイオンを加速(＝加熱)。速度が2億℃相当に達して、、、 …この相対速度(温度で)DとTが衝突すると、、、 、、 目出度く核融合が発生、パチパチパチ、てな仕組みです。

10万分の1の真空にする理由

電磁場でD,Tイオンを加速中、2億度になる「前に」衝突すると

高速道路の接触事故みたいにとっちらかり、左右の壁や地面にぶつかり抵抗で減速、トカマク炉なら閉じ込め領域外の遅いD,Tとぶつかり減速、すなわち冷めちゃう、のを防ぐため真空にする。

空気の10万倍スカスカにしてめったと接触事故が起きないようにしてる。

それでも2億度のプラズマ(イオンの集団)の軌道を電磁場で細かくコントロールし狭い範囲に閉じ込める制御は微妙でシビア。

核融合、始まっちゃうとエネルギーやら色々出て来て更にシッチャカメッチャカ。

制御が微妙になって、制御しくじるとプラズマ広がって2億度から冷めて核融合止まっちゃう。

、、、核融合の継続には五条悟の六眼が必要なのか？(笑)

、、イヤ、トカマクの制御の中身までは知りません、ワカリマセンm(_ _)m

ここで判明すること

核融合炉はヘタ打つと冷めて止まる。 暴走と言う面では現行の核分裂炉より安全で、問題は別にあります。

コメント欄より

安定的にD-T核融合を起こせる環境は2億度程度だとされており、これを維持するのが難しいというそんな話。

だけど、プラズマの維持という意味では、もうちょっと身近な機器がある。それは蛍光灯だ。

製造中止が決定しているが、蛍光管の内部は真空に保たれていて、プラズマ反応で光を取り出している。光が得られる程度の温度はどの程度か？というと、蛍光灯の中に1万度の電子が詰まっているのだ。

誤解を恐れずに言えば、核融合反応は蛍光灯の技術の先にあるものということになる。

蛍光灯の管の中を真空にしている理由は、他の元素が入っていると温度の維持が出来なくなってしまうからで、電極と水銀原子とアルゴンガス（不活性ガス）、そして蛍光管の内側に塗られた蛍光体しかない状態になっている。

電極から電子を発射して、管内に広がっている水銀原子にぶち当てることで紫外線を出し、それが蛍光体にあたることで光って見えるという寸法だ。

核融合炉でやろうとしているのは、二重水素と三重水素をぶつけてヘリウムとエネルギーを取り出してやろうという話。

実は、蛍光灯の中でやっていることと似ているんだよね。そして、蛍光管を直接手で触っても余り熱くない。中は1万度のプラズマがあるのに、である。理由は密度が薄いから。

核融合炉でも壮大なスケールで似たことをやろうとしているんだ。だから、核融合炉材は2億度の温度に耐える必要はないのだけれど、それでも、核融合炉材は冒頭に紹介したニュースのように特殊なものが必要となってくる。

炉材料の問題

順番的には「核融合3」を引用していくところなんだけれど、これが感覚的に分かりにくいので、「技術が進歩すればご家庭でも核融合が？」という可能性に言及されていると理解すればそれで良いと思う。

では、次は何処を引用するかというと「核融合６」である。

核融合6. D-T核融合の問題、放射能

核融合4.辺りで触れる積もりが失念ここまで伸びちゃいましたm(_ _)m

ただしこれら問題、私も本質理解しきれてないと思います。 なぜなら私の理解の限りでは核分裂炉と同質問題なのに、現実には解決に時間が かかり過ぎてるからです。

さて D-T(重水素-トリチウム)核融合の生成物は、ヘリウム(イオン)と中性子で、生成エネルギーの大半が高速中性子です

この高速中性子が一番の問題で電荷を持たない上に高エネルギーで遮蔽が難しく

鉄でも50cmぐらい侵入する上に、当たったモノを放射物質化したり、脆化したりする。 透過してどこか内部で衝突した原子核を別の物質、大抵は放射性に変えてしまう。

実は核分裂炉でも高速中性子は出てコレが一番問題で 対策として ウラン燃料ペレットを水にドブ漬けし、水（が含む水素）を壁として高速中性子を減速している。

水は中性子の減速能力が高く、液体だから脆化の問題は無く、水素と酸素だと中性子捕獲して何になるか比較的はっきりしているからです

しかしD-T核融合はウラン核分裂より遥かに高速中性子が多い上、プラズマを水漬けると冷めちゃうので、炉の壁を隔てて水で減速、みたいな構造なって減速前の高速中性子を浴びる壁材が必ず発生、この壁材の脆化、放射化が核分裂炉より異常に早く、壁材開発が課題とされてます。

30MWの発電検証やるぜ！ なITER計画のトカマク炉は、この壁材隔てた中性子減速用の水で発電用ボイラーを間接加熱する（核分裂炉と類似の構造）ですが材料開発中で、プラズマ実験は出来ても、発電実験ホントに出来るか、正直疑問です。

コメント欄より

噛み砕いた解説は……、要は「D-T核融合」やると中性子が沢山出るのがヤバイってな話。

で、冒頭のニュースに戻っていくんだけど。

「RAFM鋼をこのレベルで製造できたことは、核融合研究に対する画期的なできごとであり、原子力や石油化学など、高強度および耐熱性構造用鋼を必要とする周辺産業にも恩恵をもたらす」と同チームは語る。今後、EU核融合炉用規準材料として開発中のRAFM鋼であるEURIFER97についても、同様に数トンレベルで実機製造することを計画している。今後イギリスの鉄鋼メーカーが、鍛造や圧延などの加工熱処理に関して最適なプロセス条件を検討するために、NEURONEプロジェクトに参加することも期待されると、同チームは説明する。

Fabcross for エンジニアより

うーん、これを引用してもどう説明したものか。

前提として、核融合炉の構造材料には「高温強度特性」が要求されるってな話があって、RAFM鋼はその点で有望な素材なんだよね。

核融合炉の構造材料は沢山飛び出してくる中性子によって、壁材料が脆くなっちゃうという問題がある。核融合によって飛び出した中性子などは運動エネルギーを持っていて、これがぶつかることで加熱される（熱エネルギーに変換される）から、発電として成り立つということになるので、これを受け止められる構造材料がないのは困りものだ。

冒頭のニュースは核融合炉の構造材料の候補が出来たよ！という朗報である。正確に言うと、工業製品として製造する技術を獲得できたよという話。まあ、使えるかどうかは実験してみないと分からないんだけど。

と、そんなわけで、BOOKさんの解説に感謝しつつ、全部解説しようとするともの凄く長くなるので、冒頭のニュースに関係する触りの部分だけを説明させて貰った。