J. Plasma Fusion Res. Vol.97, No.9 (2021)４
９３‐４９９解説

機能性被覆によるトリチウム透過低減技術の進展−より安全で高効率な核融合炉をめざして−
Progress in Tritium Permeation Reduction Technology Using Functional Coatings− Toward a Safer and More Efficient Fusion Reactor −近田拓未
CHIKADA Takumi
静岡大学学術院理学領域（原稿受付：２
０
２
１年５月２
４日）

核融合炉における機能性被覆には，多くのブランケット形式で求められるトリチウム透過の低減を中心に，腐食耐性，照射耐性，電気絶縁性など，機器に応じた特殊かつ多様な機能が求められる．近年の機能性被覆研究
は，従来進められてきた被覆材料と成膜手法の検討を続けつつも，高いトリチウム透過低減性能を核融合炉環境で維持するための技術開発など，一歩先に踏み込んだ段階に移行しつつある．本稿では，核融合炉用途に研究開発が進められてきた機能性被覆における水素同位体透過低減メカニズムと，近年進展したトリチウム増殖材による腐食挙動，放射線照射挙動，腐食と照射の複合効果，および層構造の制御による高機能化について解説する．
Keywords:
ceramic coating, tritium permeation barrier, electrical insulation, corrosion, irradiation, liquid metal,
ceramic breeder pebble, multi-layer

１．はじめに

放射能に換算すると 1017 Bq であり，管理区域内における

１．
１ トリチウム透過低減の必要性

表面の放射性同位元素の密度限度が数 Bq/cm2 程度である

仮に核融合炉を人体に例えたとすると，トリチウムは栄ことを考慮すると，核融合炉外にトリチウムを放出するた養や酸素を全身に行き渡らせる血液のようなものである．

めには，１０桁を優に超えるきわめて厳しい低減処理を迫らこれまで世界各国で実施されてきたプラズマ実験は，「血れることになる［１］．一方，核融合炉が無尽蔵かつ安全な液」を模擬したもの（軽水素や重水素），または少量の「血エネルギー源として社会に受容されるためには，放射性核液」を使用したものであったが，ITER テストブランケッ

種の厳格な管理は必要不可欠である．

トモジュールでのトリチウム増殖実験，そして原型炉でのトリチウムの透過漏洩の程度はトリチウム増殖材と冷却発電実証では，「血液」を循環させた真に人体に近い核融材の組み合わせで異なるが，トリチウム溶解度の高い純リ合炉が動き始めることになる．トリチウムは原型炉内を kg

チウムを用いるもの以外のほぼ全てのブランケット概念で単位で循環するが，循環系で用いられる配管や容器は多く

トリチウム透過の対策が必要と考えられている．透過低減

が鉄鋼材料でつくられている．そこで懸念されているのの要求値はブランケットの設計に左右されるものの，特にが，鋼材を通しての系外へのトリチウム透過漏洩である．

水素同位体の透過が速いフェライト鋼を構造材料に用いる

トリチウムを含む水素同位体は，そのサイズの小ささよ場合，対策しない状態と比較して 1/106〜1/105 程度の透過

り，鋼材中を他の原子と比較して数桁速く移動する性質が低減が必要となると見積もられている［１］．一方，トリチあることから，濃度勾配に応じてより低濃度側に向かって

ウム透過の低減がどの程度達成されるかによって，燃料シ原子が移動する拡散という現象が起こる．トリチウムは，ステムの設計が変わる可能性が高い．裏を返せば，高度な初期装荷分以外は基本的に外部からの供給は行わず，ブラ

トリチウム透過低減技術が実現すれば，運転温度の高温化

ンケットで生成，回収することで賄われるため，透過漏洩に伴う熱効率の向上に加えて，安全性の担保も格段に高まによる損失は，いわば「血液」が流れ出てしまうことであることから，核融合炉の社会実装に向けた有効性は計り知り，核融合炉の定常運転を脅かす致命的な問題である．されない．以上のように，トリチウムの透過低減は核融合炉

らに，トリチウムは放射性核種であるため，透過漏洩は環の設計そのものに影響を及ぼすきわめて重要な技術に位置

境への放出につながる．数kgの循環しているトリチウムは付けられる．

College of Science, Shizuoka University, SHIZUOKA 422-8529, Japanauthor’s e-mail: chikada.takumi@shizuoka.ac.jp

４９３!2021 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.9 September 2021

１．
２ 機能性被覆によるトリチウム透過低減

同位体で大きく変化しないことを仮定した上で，以下では単に水素と記載する．

トリチウム透過の低減を達成するための方策として，大別して二つがある．一つは燃料循環系の設計変更であり，一例として配管を二重管構造にすることで，透過漏洩した

２．被覆の機能発現メカニズムとモデリング

トリチウムを回収することが検討されている［２］．この手

２．
１ 透過の理論

法は，単純な配管で構成される箇所では有効と考えられる

材料中の水素透過現象は一世紀以上前から金属を用いたが，トリチウム増殖と熱回収の観点から，スペースが限ら研究で理論化されており，固溶と拡散という二つの素過程

れるブランケット筐体内での適用は構造上困難であろう．

の積として，次式で表される［６］．

そこでもう一つの方法として，構造材料の配置を大きく変"!#$!

更せずにトリチウム透過の低減を実現するために，水素低透過性の被覆を鋼材表面に施すことが検討されている．こ

"
"%!!
$

（１）

ここで， "は単位面積，単位時間あたりに透過する水素分

れはトリチウム透過障壁（TPB:Tritium Permeation Barrier）とよばれ，半世紀近く研究開発が進められてきた．

子数（透過フラックス），##は材料中の水素固溶度を示す

TPB には，トリチウム透過の低減はもちろんのこと，特にジーベルツ定数，! は材料中での水素の移動しやすさを示

ブランケットにおけるトリチウム増殖材による腐食耐性，

す拡散係数，"%は水素の分圧 差，$は材料の厚さであ中性子や #線に対する照射耐性，電気絶縁性および熱伝導る．つまり，透過という現象は，既知の厚さの材料におい性などのあらゆる機能を兼ね備える必要があることから，て，水素濃度差を駆動力として，材料固有の水素固溶度と被覆の材料や成膜手法については，未だ明確な解が得られ拡散係数の積で記述される．なお，##! は水素透過におけていない．被覆材料としては，数 μm 以下の膜厚でも高いる材料固有の値として，水素透過係数とよばれる．##も透過低減性能が示されていることから，酸化物，窒化物，! も温度依存性があることから，水素透過係数も温度の関

炭化物のセラミックスが主に用いられてきた．その概要お数で書き表されることが多い．
セラミックス被覆が水素透過を低減するのは，セラミッ

よびこれまで取り組まれてきた成膜手法については，筆者

クス中の水素透過係数が鋼材に対して桁違いに小さいため

らによる過去の本誌解説にまとめられている［３］．
その後の当該研究の展開としては，トリチウム透過低減である．すなわち，セラミックスは鉄などの金属と比較しと構造材料の腐食低減の両立が鍵となるリチウム鉛て水素を固溶しにくく，また拡散させにくい．具体的には，（Li-Pb）ブランケットを中心に検討が進んでいる．EU では

固溶時のエネルギー障壁（溶解熱）が高く，拡散係数が小酸化アルミニウム（Al2O3）被覆を中心的な材料として，原さく，また拡散のエネルギー障壁（活性化エネルギー）が子炉での中性子照射挙動を含めた多角的な研究の進展が顕大きいといえる．より原理的な問いとして，セラミックス

著である［４］．一方，筆者らの研究グループでは，酸化エがなぜこのような性質を持つのかについては，電子の束縛ルビウム（Er2O3）を用いた被覆中の詳細な水素同位体のが強いイオン結合における水素の安定性が金属結合と大き透過メカニズムの解明を足がかりに，同等の化学的安定性

く異なることが関係していると考えられる．なお，（１）式を持ちつつ中性子照射に伴う放射化が小さい酸化イットリ

は水素が「原子状態」で「単一の」材料中を拡散する場合

ウム（Y2O3）や炭化ケイ素（SiC），基板との熱膨張率の差で理論化された式であるため，複数の材料が積層されたもが小さく劣化のリスクの低い酸化ジルコニウム（ZrO2），のでは，各層に分けてそれぞれ（１）式を検討する必要があ

ZrO2 に 10 mol％以下の Y2O3 を添加し結晶構造を安定化さる．しかし，各層の水素の分圧差を実験的に求めることはせたイットリア安定化ジルコニア（YSZ），およびこれら困難であることから，二層以上の積層材料の水素透過挙動の材料を積層させた複層被覆について検討を進めている．

を調べる場合，各層が平均化された見かけの透過係数で評

当該研究に継続的に取り組んでいる研究機関は少ないもの

価するか，別途取得した各層のデータを用いたシミュレーの，近年は中国の複数の研究グループでセラミックス被覆

ションが必要となる．一方で，単一層のセラミックス被覆による水素同位体透過低減の研究が盛んに報告されていの透過係数が基板に対して十分に小さい場合，水素は近似る．その多くは成膜と水素同位体透過特性を評価した基礎的に被覆のみを透過していると考えられることから，（１）

研究と見受けられるが，一方で優れた着眼点から得られた式を用いて被覆の透過挙動を詳細に調べることが可能であ

成果（例えば［５］）も確認でき，注視が必要である．

る．しかし，試料表面が平滑でない場合や水素との相互作

本稿では，核融合炉，特にブランケット用途として長年用が大きい原子を含む場合では，原子過程が透過の律速段研究開発が進められてきた機能性被覆について，水素同位階にならず，吸着等の分子過程が律速段階になる場合があ

体透過低減メカニズムを解説するとともに，近年進展したり，このとき "と駆動力は比例するため "%の指数は１とな

液体金属腐食挙動，放射線照射挙動，腐食と照射の複合効り，（１）式は適用できない．

果，および層構造の制御による多機能化について解説す

図１に，核融合炉で用いられることが予定されている鉄る．なお，機能性被覆の研究において，その使用量と特性

鋼材料，およびこれまでに優れた透過低減性能を示したセ

評価の制限のためトリチウムを使用した実験は限られておラミックス被覆の水素透過係数の温度依存性を抜粋して示り，多くの場合，トリチウムの模擬物質として重水素を用す［４，５，７‐１９］．被覆試料は鋼材基板の片面および両面に成いている．一方，透過挙動など一般的な物理的性質は水素膜されており，複数の被覆材料を積層した試料の結果も含４９４

Commentary

Progress in Tritium Permeation Reduction Technology Using Functional Coatings

図２

T. Chikada

VAD 法で作製した Er2O3 被覆試料の水素透過試験前後の断面 TEM 像：（a）
水素透過試験前，（b）
６
００℃での試験後．

ラックスが正の相関にあることを意味していることから，
ブランケット運転温度範囲において，水素は Er2O3 被覆の結晶粒界を透過経路として拡散（粒界拡散）していることが示唆された［２０］．さらに粒界拡散の証拠を集めるために，被覆中の水素濃度分布を調査した．Er2O3 被覆表面の結晶粒の構造と重水素曝露後の重水素濃度分布から，重水素は網目状に分布しており，網目の間隔と結晶粒径の対応が見られた［２１］．また，核反応分析法による重水素深さ分析においては，被覆表面から基板との界面に向けて重水素濃度が増加した．拡散の理論では，被覆の組織が均一であれば，重水素濃度は深さ方向に減少するはずであるが，これは Er2O3 被覆の組織が均一でないことを示している．実際に図２（b）でも見られるように，基板近くなるほど Er2O3
図１

被覆の粒径（結晶粒の横幅）が小さくなっており，重水素

代表的な核融合炉構造材料および高い透過低減性能を示し
たセラミックス被覆試料の水素透過係数のまとめ［４，
６，
７
‐
１
９］
．

濃度が基板界面に向かって増加した原因と考えられる．以上より，結晶粒が小さく粒界が多い領域に重水素が滞留していたことから，結晶粒界に重水素が滞留しやすいことがむ．酸化物をはじめとして，炭化物や窒化物でも高い透過示された．透過フラックスと結晶粒径の関係，および水素低減性能が得られているが，基板の片面のみに成膜した試が結晶粒界に多く存在することから，Er2O3 被覆中の水素料（黒で塗りつぶしたプロット）では，未被覆の鋼材に対の主な透過経路は結晶粒界である可能性が高まった．さら4

3

して 1/10 〜1/10 程度の透過低減が得られているのに対に，結晶粒を六角柱で近似したモデル計算において，平均し，基板の両面に成膜した試料（白抜きのプロット）では，粒径と重水素濃度の関係から結晶粒界あたりの重水素濃度

651/10 〜1/10 程度まで低減できることがわかる．この結果が求められ，拡散の理論通りの深さ方向に線形的に減少すは，基板の両面に成膜することで，水素が被覆の表側で固る分布が得られている［１３］．

溶する時に加えて，裏側で脱離する時にも移動の障壁にな

実験と並行して，計算機シミュレーションによるセラることを示唆している［１７］．一方，片面成膜試料においてミックス中の水素の移行挙動の検討も進められた．密度汎も，被覆を積層することで透過低減性能をある程度まで向関数法による立方晶 Er2O3 の最適化から始まり，単結晶

上させることが可能と考えられるが，膜厚 1 μm の被覆中

Er2O3 中の水素の拡散係数が計算され，実験で得られた値

に２
００〜３０
０層を有する多層被覆においても 1/104 程度の透と比較して１〜３桁小さい値が得られた．実験では多結晶過低減性能を示したことから［５］，多層化による透過低減の Er2O3 被覆が使われているため，この差異は当然の帰結には限界値が存在する可能性がある．

である［２２］．続いて，粒界を導入した結晶モデルにおける

２．
２ 機能性被覆中の水素透過メカニズム

分子動力学法による水素の拡散係数が計算された．図３にセラミックス被覆中で，水素はどのように移動している計算に用いた結晶モデルを示す．Er2O3 被覆の TEM観察でのだろうか．筆者らは，真空アーク蒸着（VAD: Vacuum

実際に観察された結晶粒界（Σ１３粒界：結晶粒の境目におArc Deposition）法で成膜したEr2O3 被覆の水素透過フラッいて，１３個の原子のうち１個のみ両方の結晶に共通する配クスが透過試験中に著しく減少することに着目し，結晶構列を持つ粒界）を題材に，1 at％程度の水素原子を系内に造変化と透過挙動の関係を調べた．図２に透過試験前後の導入した後，各温度で粒内および粒界における水素の平均

透 過 型 電 子 顕 微 鏡（TEM:Transmission Electron Micro-

二乗変位より水素の拡散係数を計算した．結果として，粒scope）像による断面像を示す．透過試験後に柱状の結晶粒界の拡散係数は粒内のそれより２〜３桁高い値が得られ，の横幅が透過試験の最高温度に応じて増加すること，さら水素が粒内よりも粒界を速く拡散することが計算機シミュにその増加率と透過フラックスの減少率が対応しているこレーションによっても示された［２３］．

とが明らかになった．この結果は，結晶粒界密度と透過フ以上の議論より，ブランケット運転温度範囲において，
４９５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.9 September 2021のために重要である．

３．炉環境を想定した成膜技術の進展
図１で示したように，トリチウム透過低減性能に関しては，様々な被覆材料および成膜手法で実機に供しうるもの
が研究開発されている．しかし当然ながら，核融合炉はトリチウムだけが循環しているのではなく，アルカリ金属であるLiを含むトリチウム増殖材や流動する冷却材と接触することで，被覆の性質が劣化する可能性がある．さらに，
ブランケットにおいては，核融合中性子による照射損傷や!線による影響も十分に検討しなければならない．本章では，上記の検討項目のうち，近年の進展としてトリチウム増殖材との共存性，多層構造による高性能化，重イオンに
図３

よる照射損傷が水素透過に与える影響，および腐食と照射

分子動力学法による水素拡散挙動の計算で用いたΣ１３粒界を有する Er2O3 の結晶モデルと原子配列．

の複合効果について紹介する．
３．
１ ブランケット材料との共存性

Er2O3 被覆中の水素透過は結晶粒界拡散が支配的であるこ

機能性被覆研究は，金属流体にかかる電磁ブレーキを低とが明らかになった．この傾向が他の被覆材料，または他減するための電気絶縁，液体増殖材中のトリチウム溶解度の成膜手法で同様に見られるかはさらなる検討が必要であが低いことによる透過漏洩の制御，および構造材料の腐食

るが，被覆材料や被覆に含まれる不純物との相互作用が小低減の必要性から，液体ブランケットでの適用を主として

さい多結晶体については，適用可能性は高いと考えられ研究開発が進められてきた．しかし，トリチウムの透過漏る．実際に，同じ Er2O3 被覆でも，液相法の一種である有洩は固体ブランケットでも起こる現象であり，液体ブラン

機金属分解（MOD:Metal Organic Decomposition）法で作ケット同様の検討が必要と考えられる．日本の原型炉ブラ製した場合では，直径10 nm未満の結晶粒および1 μm未満

ンケットにおける試算では，１日の冷却水へのトリチウムの膜厚においても高い透過低減性能が得られていることか

移行の総量5.7 gのうち，2.3 gをブランケットのトリチウム

ら，有機物由来の炭素不純物と水素の相互作用が示唆され増殖部が占めている［２６］．また，現在研究が進められていている［１８］．したがって，これまでの知見を総括すると，る固体トリチウム増殖材としてチタン酸リチウム（Li2TiO3）

水素はイオン結合に由来する電子的束縛の強い結晶では拡やケイ酸リチウム（Li4SiO4）があるが，核融合炉運転条件に散しにくく，電子的束縛が比較的弱い粒界において優先的

おいて低放射化フェライト鋼と反応し，LiFe5O8 などの三に拡散する．しかし，粒界に水素との相互作用の強い不純元系酸化物を生成することが明らかになっている［２７］．こ物が偏析していると，粒界においても水素は不純物原子にれは固体増殖材から LiOH などの化学形で Li が脱離してい捕捉され，透過が低減されると予測できる．

ることを意味しており，機能性被覆においても固体増殖材

セラミックス被覆の結晶構造には，単結晶と多結晶のによる腐食挙動を調べる必要性を示している．

他，アモルファス（非晶質）がある．アモルファスは粒界

そこで，固体ブランケットに適用しうる機能性被覆としを持たないことから，速い透過パスがなく高い透過低減性て，低放射化フェライト鋼 F８２H を熱処理することで表面能が期待される．近年著しい成果を上げているパルスレーに水素透過低減性能を有する酸化クロム（Cr2O3）層を生ザー蒸着法で作製されたアモルファス Al2O3 被覆は，室温成させた試料と，VAD 法および MOD 法で成膜した Er2O3で高い延性を示すなど，従来のセラミックス材料とは異な被覆を用いて，原型炉を想定したパージガス（ヘリウムる性質を持つことから，EU の Li-Pb ブランケット用の機能（He）中に 1000 ppm の H2 を混合）流下で Li4SiO4 と Li2TiO3性被覆にも応用され始めた［４，２４］．一方，多結晶体の結晶を原子数比７：３で混合した二相混合固体増殖材の微小球

粒径を小さくしていった隠微晶質とよばれる結晶構造は，に曝露し，被覆の変化を調べた．図４は，５５０℃で３２日間

アモルファスと似ているようで異なり，粒界がきわめて多（７６８時間）曝露後の Cr2O3 生成試料および MOD 法で作製く存在するため高い透過低減性能は見込めない．その一例
として，MOD 法において結晶化させるために行う熱処理
を低温で実施した Y2O3 被覆は，結晶性が低く隙間の多い構造であったことから，試験初期には基板に近い高い透過
フラックスが示されているが，高温での透過試験で結晶化が始まると透過低減性能が発現する様子が見られている［２５］．このように，アモルファス構造のセラミックスは理論上機能性被覆として有望であるが，隠微晶質と判別がつ

図４

けにくいところに注意が必要であり，また外因（熱，化学反応，照射等）で容易に構造が変化しないことが性能保持
４９６

Li4SiO4-Li2TiO3 二相混合増殖材微小球に５
５
０℃で３
２日間曝
露 し た（a）
Cr2O3 生 成 試 料 お よ び（b）
MOD 法 で 作 製 し た
Er2O3 被覆の表面 SEM 像．（a）
は試料を５４° 傾けて撮影．

Commentary

Progress in Tritium Permeation Reduction Technology Using Functional Coatings

T. Chikada

した Er2O3 被覆試料の走査型電子顕微鏡（SEM: Scanning

複層被覆の Li-Pb 共存性の検討を行った．図６に ZrO2 とElectron Microscope）による表面像である．Cr2O3 生成試

Er2O3 で構成される層構造の異なる複層被覆の静置場Li-Pb

料では，膜厚 100 nm 未満の Cr2O3 層は消失し，表面から曝露試験後の断面 SEM 像を示す．ZrO2 を最表層とした

Li2Fe3O4，CrFe2O4，Cr酸化物の層が生成した．この層構造

Er2O3-ZrO2 二層試料は，６００℃，２０００時間までの曝露試験には，気相中から Li と O が試料表面へ，また F８
２H 内部から

おいて最表面に凹凸が生じる程度で，剥離や亀裂等の劣化

Fe と Cr が表面方向に拡散することで，反応を起こすことは観測されなかった．一方，Er2O3 を最表層にした試料やで生成されたと考えられる．特に，O は微小球から放出さ

ZrO2-Er2O3-ZrO2-Er2O3 四層試料においては，最表層の剥離れた水蒸気によって供給されたと考えられ，曝露試験初期

や図６（b）で示すような層間剥離が見られた．四層被覆は，に高い水蒸気濃度および酸素濃度が検出されていたことか

異種材料界面を増やすことでより高い水素透過低減性能をら，時間経過に伴い異なる化学反応が起こったと考えられ得る意図で作製したものだが，界面を増やすことで温度変る．とりわけ特異的な反応として，微小球接触部の周辺で化時に熱膨張率の差から応力がかかり，密着性が低下し層

純 Fe の突起が生成されており，これは曝露試験中に水蒸間剥離に至ったと考えられる．この結果から，界面の数に気濃度と酸素濃度が低下した後に，パージガス中に含まれも最適値があり，水素透過低減性能と腐食耐性のバランス

る水素がLi2Fe3O4 を還元することで生成されたものと考えを取る必要があることが明らかになった［３０］．この結果られる．この還元反応は，MOD 法で作製した Er2O3 被覆では，液体 Li-Pb に曝露した状態で水素透過試験を実施するも確認された．すなわち，曝露試験初期に被覆を押し上げ，ことで確認できた．従来の曝露試験では，被覆の情報が得割りながら基板から Fe 酸化物が成長し，その後還元性雰られるのは試験前後のみであり，どのタイミングで剥離や囲気になると金属 Fe に変化したと考えられる．次に，図５

亀裂が生じたのかは知る術がなかった．そこで，水素透過に VAD 法で作製した Er2O3 被覆試料の５５０℃および７００℃装置の上流（水素導入側）に Li-Pb を設置しておくことで，で３２日 間 の 曝 露 試 験 を 行 っ た 試 料 の 断 面 SEM 像 を 示

試料を Li-Pb に接触させた状態で水素透過挙動を調べる体

す．５５０℃の試験では被覆には変化が見られず，被覆は微小系を構築した．先述の四層試料の Er2O3 と ZrO2 の順序を入球に対して高い共存性を示した．一方で，炉の運転温度範れ替えた Er2O3-ZrO2-Er2O3-ZrO2 四層試料において，図７

囲より高い７００℃では，Fe酸化物（Liを含む可能性あり）のに６００℃での透過試験中の透過フラックスの経時変化を示

成長に伴う被覆の損傷が確認された．いずれにおいても，す．上流に導入する水素の圧力に応じて透過フラックスがFe 酸化物の成長が被覆の損傷を引き起こしていたことか変化している様子がわかるが，20 kPa で一度定常に達した

ら，酸素が被覆を通して基板へ供給されることが固体ブラ後，急激に増加する様子が見られる．その後元のフラック

ンケット環境における機能性被覆の課題といえる．基板にスに戻らなかったことから，このタイミングで被覆に劣化酸素を供給させないためには，膜厚を確保し拡散距離を長が生じたと考えられる．以上のように，ブランケット材料

くすることが重要である［２８］．

に曝露しながら透過試験を行うことで，被覆の劣化のタイ

液体ブランケット材料との共存性については，Li-Pb を対象として，MOD 法で作製した単層および多層被覆の検討と並行して，腐食保護層の導入による高性能化に取り組んでいる．いずれも同等に高い水素透過低減性能を示した
Er2O3，Y2O3，ZrO2 を候補材料として静置場でLi-Pb曝露試験を行ったところ，熱力学的には他の酸化物の方が安定であるにも関わらず ZrO2 被覆が最も高い共存性を有していることが示された［２９］．考えられる要因としては，熱膨張
図６ ６
０
０℃，５
０
０時間の静置場 Li-Pb 曝露試験後の（a）
Er2O3-ZrO2
二層試料および（b）
ZrO2-Er2O3-ZrO2-Er2O3 四層試料の断面
SEM 像．

率が基板に最も近いため，高温での密着性に優れていたことが挙げられる．さらに，いずれの酸化物も Li と三元系酸化物を形成することが知られているが，ジルコン酸リチウム（Li2ZrO3）などの生成速度が他の三元系酸化物より小さい可能性がある．この結果をもとに，層構造を変化させた

図５

二相混合増殖材微小球に（a）
５５０℃および（b）
７
０
０℃で３
２日間
曝露した VAD 法で作製した E2O3 被覆試料の断面 SEM 像．

図７ ６
００℃におけるEr2O3-ZrO2-Er2O3-ZrO2 四層試料の水素透過
フラックスの経時変化．破線は導入圧力．

４９７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.9 September 2021

ミングや程度を透過フラックスから検知することに成功し傷速度など実機との違いはあるものの，中性子照射によるた［３１］．

損傷の模擬に適していると考えられる．照射による結晶構腐食保護層の導入は，セラミックス被覆の腐食の課題を造の変化と水素同位体透過挙動に与える影響を調べる目的

解決する手段として１９８０年代に提案され，小規模ながら検で，MS 法で作製した Y2O3 被覆に対して 1.0 MeV の Fe

討が進められてきた［３２‐３４］．一方，これまでは複層被覆

イオンを種々の損傷量および照射温度で照射した試料の断の液体金属への曝露試験のみが行われており，水素透過挙

面 TEM 像を図８に示す．室温で 10 dpa となるまで照射し動に関する検討はなされてこなかった．そこで，VAD 法でた試料では，表面から順に成長した結晶粒とボイド（空隙）作製した Er2O3 被覆上に汎用的な成膜手法であるマグネトで構成された層，ボイドをほとんど含まない微結晶層，ア

ロンスパッタリング（MS:Magnetron Sputtering）法で Fe

モルファス層の三層を形成した．結晶粒の成長は Fe イオ

を蒸着し，水素透過試験と Li-Pb 曝露試験を実施したとこ

ンから結晶付近の原子がエネルギーを受け取ったことによろ，水素透過低減性能を損なうことなく Li-Pb 共存性を向ると考えられ，照射誘起粒成長が起きたと考えられる．ア

上させることが可能になった［３５，３６］．さらに製作性の向モルファス層は，元素分析で Fe が検出されたことから，基上をめざして，厚み 10 μm の Fe 箔で Er2O3 被覆試料を覆う板の Fe 原子が照射で後方散乱され被覆の結晶構造を乱しことで，６００℃，３０００時間までの静置場 Li-Pb 曝露試験におたために生成したと考えられる．なお，Ni イオンを用いた

いてFe箔の残存およびEr2O3 被覆の水素透過低減性能含め照射でもアモルファス層が生成し，Feが含まれていたことた健全性が保たれたことから，腐食保護層の有効性が示さから，入射イオンによるものでないことが確認されていれた［３７］．その一方で，実機ではセラミックス被覆に腐食る．この層構造は 20 dpa でも変わらず，この損傷密度の範保護層が蒸着または接合している状態で設置される必要が囲内では結晶構造変化は平衡に達したと考えられる．一ある．配管内面等へのセラミックス被覆の作製は MOD 法

方，照射温度を５００℃として 10 dpa の損傷量を与えた試料等で実績があるが，その上に金属を蒸着することは困難ででは，結晶粒の成長が見られるものの，照射前と同様の一ある．比較的開口部の大きい形状では溶射が適用できる可様な組織が見られたことから，加熱による照射損傷の回復能性があるが，施工時にセラミックス被覆を μm 単位で掘が確認された［３９］．

ることになるため損傷は避けられない．そこで残された選

水素透過挙動に関しては，1 dpa までの損傷量を与えた択肢として，腐食保護層の接合に取り組んだ．MOD 法で

Er2O3 被覆や Y2O3 被覆において，照射によって透過フラッ

作製した膜厚 450 nm 以下の ZrO2 被覆に対して，Fe 箔を

クスが減少する傾向が見られている．当初は照射によってホットプレスで５５０℃，13.5 MPa，３０分の条件で接合した．

透過低減性能が低下することが懸念されていたものの，反Fe 箔との密着性を最適化するために，通常の ZrO2 被覆の対の結果になったのは，照射が核生成や粒成長を促したこ

他に，一度成膜した ZrO2 被覆の上に，MOD 法で再度溶液とと，ボイド等の照射欠陥によって透過経路が減少したたを塗布，乾燥，仮焼まで行ったものと，乾燥まででとどめめと考えられる［４０，４１］．さらに，中性子の !
""反応で生!!

たものを用意し比較した．接合前後で電気抵抗値に変化は成するヘリウムの効果を検討するために，He を Fe 照射となく，いずれも絶縁性能の要求値を満たしたことから，接同時に注入した被覆試料についても水素透過挙動が調べら

合によって被覆は損傷を受けなかったと考えられる．スク

れ，He 同時注入試料では，結晶化および欠陥回復に伴う透ラッチ試験による密着性の評価では，仮焼まで行った試料

過フラックスの減少がより高温の試験で起こることが示さが最も付着力が高く，仮焼層から Fe 箔へ酸素が供給されれた［４２］．いずれにしても，1 dpa 程度の重イオン照射にFe 酸化物が生成したことが密着性の向上に寄与したと考よる損傷は水素透過を増加させる要因にはなりにくいといえられる．熱拡散率の測定では，ZrO2 被覆のみの試料ではF82H 基板の９９％を示し誤差範囲内であったが，接合試料
では９２％とやや低下したことから，さらなる接合条件の最適化が必要と考えられる［３８］．また，ホットプレスは平板
試料の接合のみ可能であり，配管内面等への腐食保護層の接合に向けては熱間等方圧加圧（HIP: Hot Isostatic Pressing）法による接合にも取り組む必要がある．
３．
２ 放射線照射効果
機能性被覆に対する照射影響の検討は，加速器を用いた
重イオン照射から開始された．本来は中性子を用いるべきであるが，原子炉を用いた中性子照射試験が多大な時間を要し，また核融合炉で想定される損傷量（全原子が平均１００
回はじき出される程度，100 dpa:displacement per atom）に近づけることが実質不可能であったことが背景にある．幸いにも，取り扱っている機能性被覆は数 μm 以下と薄いた

図８

め，高エネルギーの重イオンは照射損傷のみをほぼ均一に被覆に与えてそのほとんどが基板に到達することから，損４９８Fe イオン照射前後の MS 法で作製した Y2O3 被覆試料の断面 TEM 像：（a）
未照射，（b）
室温で 10 dpa 照射，（c）
500℃
で 10 dpa 照射，（d）
室温で 20 dpa 照射．

Commentary

Progress in Tritium Permeation Reduction Technology Using Functional Coatings

T. Chikada

え，透過試験に供せなかった 20 dpa においても，運転温度

参考文献

における欠陥回復を考慮すると，その結果は大きく変わら［１］T. Tanabe, Fusion Eng. Des. 87, 722 (2012).
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ないと推測される．
本章では腐食と照射を個別に取り扱ったが，照射による腐食挙動への影響についての検討も進めている．MOD 法で作製した ZrO2 被覆を用いて，Fe イオンを8〜16 dpaとなるまで照射後，５００℃，５００時間の静置場 Li-Pb 曝露試験を行ったところ，未照射の曝露後試料には膜厚に変化がな
かったのに対し，照射試料では損傷量に応じて膜厚が減少していたことから，照射損傷による腐食の促進が示された．高倍率のTEM像から，粒界にボイドが偏析していたことから Li-Pb が浸入しやすくなり，粒界腐食が促進されたと考えられる［４３］．また，腐食生成物が観察されており，炭素の元素比が高いことから炭酸リチウム（Li2CO3）などが考えられるが，今後さらに分析を進め，より詳細な腐食機構を明らかにする必要がある．

４．まとめと展望
核融合炉における機能性被覆は，トリチウム透過低減を中心に「三刀流」どころでない様々な機能を同時に満たし，かつ複雑な形状の構造材料にくまなく成膜する必要がある
ことから，技術的要求はきわめて高い．しかし，半世紀近い研究開発の中で数々の課題を解決すると同時に，学術的な理解も深まり，実機への導入に向けて理論と実験の両輪で着実に進展してきた．
２０３
５年頃に予定されている ITER での D-T 実験，そして原型炉の建設移行判断に向けて，機能性被覆に期待される
役割は大きく，この先１５年の研究開発はまさに正念場といえる．この期間に解決すべき課題として，成膜手法のス
ケールアップをめざすとともに，中性子照射試験，高線量下での実時間透過試験，高濃度トリチウムからの β 線や壊変後の He が被覆に及ぼす作用，流動腐食試験，およびこれ
らの複合効果が挙げられる．さらに，実際の運用に向けて，被覆の検査手法などメンテナンス技術の構築や，修復技術の開発も今後取り組むべき重要な課題といえる．道のりは長く険しいが，筆者が大学院生として研究を始めた１５年前を思い出すと，取り巻く環境や研究の進展には隔世の感がある．正念場の次の１５年，機能性被覆がどのような進化を遂げているか，コミュニティの手厚いサポートを切に願うとともに，楽しみにしていただきたい．

!!!!!!!!!!!!!!!!

ちか

だ

たく

み

近 田 拓 未!!!!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

静岡大学学術院理学領域 講師．２
０１
１年東京大学大学院工学系研究科 博士（工学）．
東京大学助教を経て，２０
１
４年より現職．大学院生時代から一貫して本解説記事の機能性被覆の研究に従事．最近は SNS を通した研究室活動の発信に力を入れています．趣味は学生時代の部活だったボウリン
グ．２年前から運動不足解消のために再開し，今年１月に非公式ながら念願のパーフェクトゲームを達成しました．

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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