ISSN0913-0020

The Japan Research and Development Center for Metals

一般財団法人

金属系材料研究開発センター

2020.10No.408

TODAY

着任のご挨拶て、本年 6 月、『マテリアル革新力強化のための政府戦略に向けて（戦略準備会合取りまとめ）』を策定・公表しました。本取りまとめにおいては、例えば、経済産業省データを基軸としたマテリアル研究開発の重要性
製造産業局 金属課などを謳っております。経済産業省においても、
金属技術室長令和 3 年度の予算概算要求に、AI や MI を活用し大竹 真貴
た革新的合金探索手法の開発のための予算を新規本年（令和 2 年）7 月 20 日に、経済産業省製 で計上させて頂いたところです。今後、検討の舞造産業局金属課金属技術室長を拝命いたしました 台を内閣府に移し、マテリアル革新力強化のため大竹真貴でございます。我が国の金属産業におけ の政府戦略策定に向けた検討を進めてまいります。
る国際競争力の強化、持続的な発展に向けて、技また、近年の台風を始めとする異常気象の多術という側面からサポートに全力を尽くす所存で 発に伴い、地球温暖化問題への関心が世界的に高す。何卒よろしくお願いいたします。
まっております。我が国では、2030 年度の温室本年春以来の新型コロナウイルス感染症の拡大 効果ガス排出量を 2013 年度比で 26%削減するを受け、金属業界においても、大幅な需要減に対 という目標を掲げております。加えて、長期的に応するため生産調整等を余儀なくされており、そ は、「脱炭素社会」を今世紀後半のできるだけ早の影響は未だに続いております。経済産業省とい 期に実現することを目指すとともに、2050 年またしましても、事業と雇用を守るための緊急対策 でに温室効果ガスの 80％削減に大胆に取り組むに取り組んでいるところであり、一日も早い回復 こととしています。このチャレンジングな目標をに向けて、引き続き尽力してまいります。
達成するためには、従前の取組とは非連続なイノ
他方、新型コロナウイルス感染症の拡大以前よ ベーションを、ビジネス主導で実現していく必要
り、我が国の経済社会においては、第 4 次産業革 があります。金属技術室では、民間企業や関係機命、地球温暖化、人口減少、新興国の追い上げな 関が主体となった、水素還元等プロセス技術開発
ど様々な課題が山積しております。今般のコロナ （COURSE50）、フェロコークス技術開発、輸送機禍をこれらの構造的問題を解決するチャンスと捉 器の抜本的な軽量化に資する技術開発などの各取え、長期的視点に立った日本経済の変革を後押し・ 組を支援しております。我が国の金属業界が、地加速していくべく、様々な施策に取り組んでまい 球温暖化問題の解決に向けても世界をリードし、ります。
「環境と成長の好循環」を実現できるよう、取りご案内のとおり、金属を始める素材（マテリア 組んでまいります。
繰り返しになりますが、金属分野の技術開発は、ル）は、自動車と並ぶ我が国の輸出産業の要（いずれも輸出総額の 2 割強）であり、我が国において 我が国の国際競争力強化のみならず、社会問題の大きな強みを有する技術領域の一つとなっていま 解決にも重要な役割を担うと考えております。今す。こうした先進的な素材を活用した製品は社会 後、多くの現場を訪問し、広く深く意見交換して課題の解決に大きく貢献することから、素材産業 いくなかで、課題やボトルネックを見極め、そのの革新力を高めることが、今後の日本経済・社会 解決に向けて、皆様と一緒に全力で取り組んで参の強靱化のためには不可欠となります。このよう りたいと考えております。何卒、ご指導・ご鞭撻な問題意識の下、経済産業省と文部科学省におい を賜りますようお願い申し上げます。

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JRCM REPORT

夢の核融合エネルギーがいよいよ現実に―金属材料が切り拓く人類の未来―

量子科学技術研究開発機構
核融合エネルギー部門長 栗原 研一
1. はじめに究極の基幹電源を目指して、半世紀以上世界中で研究開発が進められてきた核融合エネルギーは、今大きな進展が期待される状況を迎えている。世界の７つの国と地域（日欧米露中韓印）による国際協力で、核融合実験炉 ITER（イーター）が、南フランスで建設が進んでがる核融合エネルギー実現への最短ルートは、トカマクと呼ばれる磁場閉じ込め方式である。トカマクとは、発明したロシアで命名された装置の型式で、電流・容器・磁気・コイルという意味のロシア語の最初の１音を繋げた造語である。
本稿では、近く大きな進展が予想され、核融合発電へと近づく研究開発を金属材料という視点から概観する。
いる。装置の機器製作や関連建家の建設は、現在完成度約 70%を超え、2025 年に運転開始予定である。こ 2. 核融合エネルギー生成の原理と開発小史
発電で利用する核融合反応は、図 1 に示すように重のプロジェクトの特徴は、構成する機器を参加国が分担製作し、物納して現地で組み立てるという点にあり、 水素（D）と三重水素（T）が結合して、ヘリウム He と高速技術的にも運営的にも困難度は人類史上最大級の国際 中性子が発生する反応である。核融合反応のエネルギー協力と考えられる。日本は、ハイテク機器を分担して は中性子の速度として外に取り出され、プラズマを取りおり、ITER 最大の構成機器である超電導トロイダル磁 囲むように配置したブランケットと呼ばれる装置で熱場コイルは、今年最初の２機が建設サイトに到着して、 に換え、タービン発電機を動作させる。このブランケッ
いよいよ装置本体の現地組立が開始される。
ト中には、中性子増倍材としてベリリウム（Be）、リチウ
さらに日本国内においても装置建設が進展している。 ム（Li）を入れておく。中性子と Li との反応により、燃サイズで ITER の半分の大きさの超電導トカマク型核 料の三重水素を生産させる。１個の発生中性子で１個以融合装置 JT-60SA は、量子科学技術研究開発機構（以 上の三重水素を生成すると同時に、Li との発熱反応は下量研）那珂核融合研究所にて日欧協力で建設が進み、 プラズマからの核融合出力をさらに約 20%増加させる。
ITER に先駆け 2020 年 3 月に装置組立が完了、今年中
ブランケット
炉心プラズマの中+・三重水素を作るのプラズマ運転開始を目指しコミッショニングを進め++++・熱を取り出す
送電
ヘリウム+重水素
ヘリウムている。その先進的な設計は ITER を支援・補完する装+++++
中性子
リチウム
置として世界から注目され、同時に研究人材の育成も三重水素核融合
三重水素中性子
目的の一つである。
変電施設
これら核融合装置は、強力な磁場により大電流のプ蒸気プラズマの加熱
プ発
ラズマを閉じ込めるため、大きな電磁力に耐える必要ラ
生中性子器
ズマがある。ITER 及び JT-60SA は、本体部分だけでそれぞ燃料の補給
タービン発電機れ総重量 23000t、2600t であり、その殆どは -269℃（4K）
ブランケットの極低温状態でも充分な靭性を示すステンレス鋼の一種を中心とする金属構造物である。核融合反応で発生
図 1 核融合エネルギー生成の原理と発電所概念した中性子が、構造物のステンレスを放射化させ、生成されたコバルト 60（Co60）から出る強いガンマ線によこのような核融合反応を効率良く実行出来るトカマ
り、実験直後は人間が近づけず、装置の維持管理のたク装置の基本構成機器と磁力線構造を図 2 に示す。効めに耐放射線ロボットが必須となっている。このガン 率の良さは、装置規模の増大と正の相関があり、発電マ線量を低減させる目的で、ステンレス中の不純物で 炉では、実験炉 ITER のサイズ以上の規模が必要であるあるコバルト（Co59）の含有量が少ない低コバルトステ ことが判っている。構造上、強磁場中に大電流を流すンレスを使用する。
コイルが置かれるため応力に耐える金属構造物により実験炉 ITER の次のステップである原型炉で核融合発 支持されなければならない。超高真空中でプラズマを電を実証することが、当面の目標である。日本のロー 生成することから、金属製ドーナッツ型容器が必要でドマップでは、ITER で本格的な核融合燃焼の長時間維 ある。超電導コイルを収納する金属構造物は、-269℃持が実現する 2035 年頃に、原型炉建設に移行するか という極低温でも強度を維持することが要請される。
どうかが判断される。JT-60SA、ITER、原型炉へと繋 また、核融合反応中性子による金属構造物の放射化は、冷却材（水、ガス）

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年「原型炉開発に向けたアクションプラン」、
2018 年「原型炉研究開発ロードマップ」がとりまとめられた [5]。
現在、このシナリオに沿って、原型炉研究開発を実施中である。JT-60SA、ITER、日本の原型炉 [6] の規模・サイズを図 3 に示す。原型炉建設に移行するかどうかを判断する時期は、ITER における DT 実験が開始する2035 年頃とされている。もし、その時点で建設に移行されれば、建設期間として約 10 年程度を経て、最速で 2040 年代後半に核融合発電による電力供給を実現することとなる。

極力低く抑えることが要請される。さらに、放射性廃棄物量を著しく少なくするため、一旦放射化しても早く放射線を発生しない一般物に戻る「低放射化」金属材料であることが発電炉以降望まれる。
中心ソレノイド
プラズマ

ポロイダル
磁場コイル

装

真空容器

トロイダル磁場
トロイダル磁場コイル
プラズマ電流ポロイダル磁場 螺旋状の磁力線

図2

置

プラズマ電流

原型炉

15.0 MA

12.3 MA

2.25 T

5.3 T

5.94 T

核融合出力

QDT換算=1

0.5 GW (QDT=10)

1.46 GW (QDT=17)

主半径 Rp

3.0 m

6.2 m

8.5 m

小半径 a

1.1 m

2.0 m

2.4 m

非円形度 b/a

1.87

1.71.65

CLbRpa

図3

日本の核融合研究は、日本人初ノーベル賞受賞の湯川秀樹博士が 1957 年に創設した原子力委員会核融合反応懇談会を起源とすることが出来る [1]。その後、日米欧露を中心に核融合研究開発競争が展開され、1990年代は大型トカマク装置によるプラズマ性能競争が繰り広げられた。その中でも、日本が発明したダイバータと呼ばれるプラズマを容器壁から浮かせる機構を装備している欧州の装置 JET と日本の臨界プラズマ試験装置 JT-60 が、1990 年代後半に臨界プラズマ条件を達成した。エネルギー増倍率 Q=1.25 の世界記録は、
JT-60 が 1998 年に達成し、イオン温度 =5.2 億度、電子温度 =3 億度と共に今なお日本の装置 JT-60 が世界最高記録を保持している [2]。
21 世紀に入り、日米欧露による実験炉 ITER の工学設計を経て、７国（極）による建設が開始された [3]。実燃料（＝重水素 D と三重水素 T）を燃焼させ、核融合出力50 万 kW、Q>10 を約 400 秒継続することが重要なミッションとされた。一方、早期原型炉実現のために ITERだけでは十分でない高圧力プラズマ定常実験や原型炉製作に必要な技術情報等を日欧共同事業「核融合エネルギー研究分野における幅広いアプローチ（BA: BroaderApproach）活動」[4] の中で、それぞれ JT-60SA、原型炉に向けた必要な工学設計・R&D 活動により取得することとした。これにより日本は原型炉実現に必要な技術を手中に収められるという戦略としている。
実験炉 ITER、JT-60SA 等の BA 活動と並行して、原型炉設計・建設を可能にするシナリオが必要である。そこで、産官学の核融合専門家により、2013 年以降段階を踏んで検討が実施された。その結果、2017 年「核融合原型炉研究開発の推進に向けて（新推進方策）」
、2016

ITER

5.5 MA

トロイダル磁場トカマクの構成機器と磁力線構造

ドーナッツ容器を取り囲むように配置されたトロイダル磁場コイルにより強力な円環状の磁場を作る。容器内のプラズマ断面位置形状を制御するため、ドーナッツ容器に沿って、同心円状にポロイダル磁場コイルを配置する。プラズマ中に周回電流を励起制御する中心ソレノイドをドーナッツの穴を貫くように配置する。プラズマ中の周回電流であるプラズ
マ電流とトロイダル磁場コイルの合成磁場は、螺旋状の磁力線を構成する。プラズマ中には、螺旋の捩れのピッチが同一の磁力線により一つの円環状の面 ( 磁気面 ) が形成され、それが幾重にも入れ子になった多層構造を持ち、磁力線に巻き付いたプラズマ粒子を閉じ込める。この多層磁気面構造を維持しながらプラズマが高速に周回する点が、高いエネルギー閉じ込め性能を有するトカマク装置の最大の特徴の一つである。

JT-60SA

JT-60SA、ITER、原型炉の規模・サイズ

3. 金属材料の視点から見た実験炉 ITER
これまでの研究開発で日本が世界を相手にした性能競争でリードして来た最大の理由は、国内産官学の連携協力体制である。トカマク型プラズマ核融合装置は、人工物開発史上最大規模の金属材料を用いた電気装置である。装置規模が大きいため、大量の金属材料を必要とし、また磁場発生用コイルには、大電流を制御して流すことが必須である。
金属材料に課せられた要求は以下である：①極低温で高い強度を保有する金属②超電導導体③高い応力に耐える金属④耐熱性能の高い金属⑤中性子による放射化が起きにくい金属・減衰が速い金属
ITER を構成する主要コンポーネントについて、金属材料への要求内容、材質、重量等を述べていく。図 4 に、ITER の構成機器と重量を示す。本体総重量 23000t に対して、合計 22500t を占める。残る 500t は、配管や熱遮蔽材等の重量合計である。総重量の比較では、エッフェル塔 7300t のほぼ３倍と言われている。殆どの材質はステンレスであり、放射化を低く抑える低コバル
ト仕様のステンレスである。
史上最大の超電導コイルであるトロイダル磁場コイル（TFC）は、トカマク装置の基本となるプラズマ閉じ込め磁場を生成するニオブスズ（Nb3Sn）合金を超電導導体とするコイルである。超電導導体は、ステンレス製の被覆管に通し、絶縁処理した後溝を掘ったステンレス製溝板にはめ込み D 型に巻く。これを７層積層して含浸し、その全体をステンレス製の構造材で覆う。全 18個、日本と欧州が半数ずつ製作する長径約 17m x 短径
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39m（許容精度数 mm 以下）の巨大なハイテク機器である。
コイル 1 個のステンレスは、素材重量約 440t で製品重量 260t、減った 180t の内、140t は溝板切削加工で発生する。超電導導体を含めた TFC の総重量は約300t x 18 個 = 5400t である。
厳しい応力に晒されるステンレス構造材の材質は、
SUS316LN 材（LN: 低炭素・窒素添加）をベースとして、強度・靭性を向上させた強化オーステナイト鋼である。
ポロイダル磁場コイル（PFC）は、プラズマ位置形状を制御するニオブチタン（NbTi）合金を超電導導体とするコイルである。図 4 に示すようにドーナッツと同心円で主半径 4m/8m/12m のコイルが上下で計６種類のPFC が設置され、総重量は約 1500t である。
真空容器
（VV）

中心ソレノイド（CS）1000 t8000 t
真空容器断面

本体総重量23000 tトロイダル磁場コイル（TFC）
5400 t遮蔽ブランケット
4.5 t x 440 = 1980 t

ポロイダル磁場コイル（PFC）
1500 t

図4クライオスタット
3850 tダイバータ 10 t x 54 = 540 t© ITER Organization, http://www.iter.org/

ITER を構成する主要機器とその重量

中心ソレノイド（CS）は、プラズマ電流を制御するニ過渡的短時間熱負荷 20MW/m2 に耐えることが求められる。タングステン（W）製モノブロックを表面保護タイルとして、SUS316LN ステンレスの支持構造体で構成される。ブランケット、ダイバータ共に強制冷却を行う。
クライオスタットは、本体全体を真空断熱する容器である。内容積 16000m3、10-4 Pa の真空度を維持す
る容積は 8500m3、ステンレス製、総重量 3850t である。
4. まとめ －発電する原型炉の金属材料－
冒頭に述べたように、核融合研究開発は。新たな大きな展開期へとさしかかって来ている。近く運転を開始する JT-60SA は、原型炉に必要とされる高圧力プラズマにおける不安定性抑制を、高度なプラズマ制御により実証する [7]。金属材料が機能的に組み合わされた実験炉 ITER は 2025 年から運転を開始し、2035 年から DT 核融合反応が持続的に地上で起こせることを確認する。この後、早ければ原型炉の建設に移行し、本格的な核融合発電を今世紀半ばに実現することを目指す。
実験炉 ITER における金属材料の物量を基に、原型炉での物量を粗く見積もってみる。単純に主半径の比較として、ITER が 6.2m、原型炉 JA-DEMO[6] が 8.5m である。体積比較を３乗とすれば、(8.5/6.2)3=2.58 倍となることから、原型炉における金属総重量は、23000t
x 2.58 = 約 59000t と見積もられる。
特に原型炉構造材料では、ステンレスよりも放射化しにくい金属材料として、低放射化フェライト鋼 F82H が一つの有力候補として検討されている [2]。このように金属材料が、核融合発電炉の基本要素であるだけでなく、早期実現に向けた最重要要素であることを強調したい。

オブスズ（Nb3Sn）合金を超電導導体とするコイルであ 参考文献
(1) 山本賢三、「核融合の 40 年」ERC 出版 (1997 年 )る。直径約 4m、全高 18m で、独立に電流を制御出来 (2) 関昌弘編、「核融合炉工学概論」, 日刊工業新聞社 (2001 年 )る６種類のコイルからなる。総重量は、約 1000t である。 (3) ITER 情報：https://www.fusion.qst.go.jp/ITER/index.html
ITER 機構：https://www.iter.org
真空容器（VV）は、プラズマを格納する容器で、高真 (4) 幅広いアプローチ活動情報：https://www.qst.go.jp/site/ba
空保持、電磁力の支持、放射性物質の閉じ込め等を行 (5) 原型炉開発戦略は、以下の文献（掲載学会の HP で情報入手可能）：①坂本修一、山田弘司、「今後の核融合原型炉開発に向けて」プラズマ・核融合学会誌、90 (2014) 821-824.
う二重壁構造の重要機器である。図 4 に示す断面の内②松浦重和、小川雄一、岡野邦彦、上田良夫、秋山毅志、「核融合原型壁・外壁共に 60mm の厚さで、材質 SUS316LN ステ
炉開発に向けた新推進方策・ロードマップ作成にあたり」プラズマ・核融合学会誌、94 (2019) 575-582.
ンレス材で完全溶け込み溶接により製作することが仕③岡野邦彦、飛田健次、「核融合原型炉開発の動向 アクションプラン
様である。総重量は約 8000t、その内ポート部だけでと核融合炉工学研究の進展」日本原子力学会誌、60 (2018) 637-641.
(6)K.
Tobita, et al, "Overview of the DEMO conceptual design activity in
3000t である。
Japan", Fusion Engineering & Design, 136 (2018) 1024-1031.
遮蔽ブランケットは、核融合プラズマから発生する中 (7) 栗原研一、鎌田裕、坂本宜照、鈴木隆博、出射浩、「小特集：燃焼・高ベータプラズマの実現に向けたプラズマ分布制御の課題」プラズマ・核融性子を遮蔽する機能の機器で、ベリリウム（Be）を銅とス 合学会誌、86 (2010) 517-542.
テンレスに接合して構成する。
1.0m x 1.5m 角のモジュー 著者紹介
栗原研一（くりはら・けんいち）
ルを 440 個、真空容器の内側に取付けられる。総重量 4.5t
量子科学技術研究開発機構 核融合エネルギー部門長。
x 440=1980t。ダイバータは、図 3 のプラズマ断面のよJT-60 の設計段階からプラズマの実時間制御システムの研究開発に従事。特に実践的アプローチを志向。現在は、うにプラズマを壁から浮かせて保持する際、磁力線にITER 等の建設プロジェクトを加速し早期の核融合エネ
2
沿って高速粒子を導く部分で、定常熱負荷 10MW/m 、ルギー実現を目指す。
The Japan Research and Development Center for Metals

発 行
発行人
発行所

JRCM NEWS ／第 408 号

2020 年 10 月 1 日
小紫 正樹
一般財団法人 金属系材料研究開発センター〒 105-0003 東京都港区西新橋一丁目 5 番 11 号 第 11 東洋海事ビル 6 階

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