J. Plasma Fusion Res. Vol.93, No.2 (2017)８
３‐９０

解説

固体トリチウム増殖材料研究開発の最先端−ソリッドなブランケットをめざして−
Cutting Edge of R&D in Solid Tritium Breeder Materials−Toward the “Solid” Blankets−星野毅１），向 井 啓 祐２，３），KOLB Matthias H.H.２），KNITTER Regina２）

HOSHINO Tsuyoshi１）, MUKAI Keisuke２，３）, KOLB Matthias H.H.２）and KNITTER Regina２）
１）

量子科学技術研究開発機構，２）カールスルーエ工科大学，３）日本学術振興会海外特別研究員（原稿受付：２
０
１
６年１
１月１
３日）

国際熱核融合実験炉（ITER）に関連して，日本と欧州で核融合エネルギー開発の早期実現をはかることを目的として行う研究開発である幅広いアプローチ（BA）活動の一環として，先進トリチウム増殖材料（リチウム含有セラミック ス）の 製 造 技 術 開 発 及 び 特 性評価を行っている．日本はリチウム添加型チタン酸リチウム（Li2＋xTiO3＋y），欧州はケイ酸リチウム及びチタン酸リチウムの二相混合物（Li4SiO4+Li2TiO3）を第一候補材料として研究開発を開始し，本稿ではその最新の成果について報告する．
Keywords:
broader approach (BA), advanced tritium breeder, Li2＋xTiO3＋y with Li2ZrO3 (LTZO),
two-phase materials consisting of Li4SiO4 and Li2TiO3, pebble fabrication technique, emulsion method,
melt-based processing

１．はじめにドはリチウム鉛（Pb‐１６Li）と Li2TiO3 を候補材としている

１．
１ トリチウム増殖材料［５］．しかしながら，これらの極は日欧両者の候補材料の核融合炉用燃料のトリチウムは，自然界にほとんど存在

開発も行っており，今後の開発状況により，候補材料が変しないため，天然リチウム（Li）中に約 7.8％ しか存在しなわることが予想される．

6

いリチウム６（ Li）を含むセラミックスの微小球に中性子さて，これらのトリチウム増殖材料は，核融合炉のプラをあてて，人工的に製造（増殖）する必要がある（図１）．

ズマの周りを覆う，ブランケットと呼ばれる箱の中に装荷

このトリチウム増殖材料は，固体もしくは液体状態の Liされ，トリチウム燃料製造を行う（図２）．ブランケット内含有材料を用いる．固体材料は液体材料より取り扱いが容には多くのトリチウム増殖材料を装荷したいが，生成した易のため，国際熱核融合実験炉（ITER）では，まず固体ト

トリチウムを水素添加したヘリウムガスで回収するため，リチウム増殖材料に関する特性評価を行う計画である．

粉末状では充填できない．そこで，直径 1 mm 程度の微小固体トリチウム増殖材料としては，様々なリチウム含有球状態にて，ブランケット内に装荷する．また，トリチウ

セラミックスが検討されている．例えば，トリチウム放出

ム増殖材料と中性子の核反応は発熱反応であり，この熱は特性等が優れているチタン酸リチウム（Li2TiO3）が日本の発電に大きく寄与する．その除熱方法は，日本では水冷却，候補材料［１，２］であり，リチウム原子密度が高い特徴を有欧州，中国及び韓国ではガス冷却のブランケットが検討さするケイ酸リチウム（Li4SiO4）が欧州の候補材料
［３，
４］で

れている．

ある．他極の動向としては，中国及び韓国は Li4SiO4，イン

１．
２ 先進トリチウム増殖材料
代表的な従来材としては，酸化リチウム（Li2O）が挙げられる．Li2O は固体トリチウム増殖材料の中では最大の Li
原子密度を有し，核融合炉におけるトリチウム増殖比を考慮した場合，最も優れた材料である［６］．しかしながら，
Li2O は高い Li 蒸気圧や，化学的不安定（水や CO2 ガスと容易に反応する）等，核融合炉使用環境下における課題も有する．

図１

核融合燃料製造に必要なトリチウム増殖材料．

これらの課題解決のため，トリチウム増殖比は Li2O より

National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology, AOMORI 039-3212, Japancorresponding author’s e-mail: hoshino.tsuyoshi@qst.go.jp

８３!2017 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.93, No.2 February 2017

図３

Li2TiO3 の課題と解決策．

した．
２．
２ 新材料合成法
まず Li 添加型 Li2TiO3 の原料粉末の合成法の探索を行った．従来の Li2TiO3 では，炭酸リチウム（Li2CO3）と二酸化
図２

チ タ ン（TiO2）を始発原料とする固相法が 用 い ら れ た

核融合ブランケットとトリチウム増殖材料微小球．

が，本合成法で Li 添加を試みた場合，未反応の炭酸リチウ
劣るものの，化学的安定性に優れた材料開発が行われた．

ムが残るため，Li 添加型 Li2TiO3 を合成できなかった．

特に，日欧における固体トリチウム増殖材料開発の歴史は

そこで，始発原料や合成手法の選定など，一からプロセ

長く，日本は Li2TiO3，欧州は Li4SiO4 を主とした開発を行スを見直し，試行錯誤の結果，全く新たな合成手法を発案

い，現在の ITER テストブランケットモジュールの第一候

した．本法は，水酸化リチウム一水和物（LiOH・H2O）と補材料として期待されている．

メタチタン酸（H2TiO3）を数日間混合さ せ る こ と に よ

但し，ITER は４００秒のパルス運転に対し，核融合原型炉

り，常温にて始発原料同士の固相反応が進行し，ゲル状とは高温（最大９００℃）・長時間（２年程度）連続運転と，よす る も の で あ り，目 的 と す る Li 添 加 型 Li2TiO3

り過酷な条件に耐える材料が必要である．そこで，日欧は（Li2＋xTiO3＋y 単一相）の原料粉末の合成技術を確立するこ

幅広いアプローチ（BA）活動の一環として，新たな固体トとに成功した［８］．

リチウム増殖材料（先進トリチウム増殖材料）の開発に着

２．
３ 微小球大量製造法（エマルジョン法）の技術開発

手した．

次に，微小球製造技術開発として，従来材である Li2TiO3

本稿では，日欧における先進トリチウム増殖材料の，最微小球製造法のゾルゲル法を試みた．しかしながら，本造新の研究成果について説明する．

粒法では，原料調整時における添加 Li の減損，トリチウム
放出特性に悪影響を及ぼす結晶粒径の肥大化が生じること

２．日本における先進トリチウム増殖材料を明らかにした［９］．

２．
１ Li 添加型 Li2TiO3

そこで，これらの課題解決のため，新たな微小球製造法

Li2TiO3 は，日本の ITER テストブランケットモジュールとして様々な造粒法を試行した結果，ミクロンサイズ微粒における，トリチウム増殖材料の第一候補材料である．本子の大量製造法の一つであるエマルジョン法に着目し，造材料は，トリチウムを回収するために必要な水素を含むヘ粒条件の最適化によりミリサイズの微小球製造に成功した

リウム雰囲気中，中性子照射環境下にて高温・長時間保持

［１０，
１１］．

されることで，Li の蒸発及び Li の核的燃焼（トリチウムへ

本法は，シリンジ（注射器）の一方に油を，もう一方にの変換）により，トリ チ ウ ム 増 殖 材 料 中 の Li が 損 失すは原料となるスラリー（Li 添加型 Li2TiO3 原料粉末を含む

る．加 え て，Ti の 水 素 還 元 に よ る 酸 素 欠 損 も 生 じ，液体）を充填する．そして，スラリーの流速を油より遅く

Li2TiO3，Li4Ti5O12 及び LiTiO2 の三相混合物に変化するこすることで，T 字型流路でスラリーを油により球状にせんとによる，材料の化学的安定性や，トリチウム放出特性等

断した後，スラリー球を焼結処理し，微小球を得る手法でへの悪影響が懸念されていた（図３）［７］．

ある（図４）．スラリー粘度，流路径，流速などをパラメー

そこで，Li 損失に伴う材料特性劣化を低減するため，タに，造粒条件の探索試験を行った結果，目標とする直径

Li2TiO3 に予めLiを多く添加することを考案し，かつ，その約1 mmで，造粒前後でのLi/Ti比もほとんど変化しない試

Li 添加型 Li2TiO3 について，微小球の造粒技術開発に着手

作球を得ることに成功した．
８４

Commentary

図４

Cutting Edge of R&D in Solid Tritium Breeder Materials -Toward the "Solid" Blankets

T. Hoshino et al.

新たな微小球大量製造技術・エマルジョン法（参考文献［１
１］の図１を引用）．

トリチウムを放出しやすくするため，結晶粒径は 5 μm

図５

焼結雰囲気の違いによる微小球の結晶粒径の改善（参考文献［１２］の図２を引用）．

図６

核融合中性子源施設（FNS）
でのトリチウム放出特性評価（参考文献［１３］の図２及び図３を引用）．

以下を目標値として設定したが（結晶粒内から拡散するトリチウムの速度は，結晶粒界や微小球表面におけるトリチ
ウムの拡散速度より遅いと考えられるため），この試作球を SEM 観察したところ，粒径は 10 μm 以上であった．そこ
で，結晶粒径が大きくなる原因を調べた結果，エマルジョ
ン法では，スライム状のスラリー球を加熱してセラミック
ス球にする際，スラリー球の液体成分から発生する炭酸ガスが作用して結晶粒径が大きくなることを明らかにした．
次のステップとして，加熱時に発生する炭酸ガスを効率的に除去できるよう，様々な加熱雰囲気を探索した．その結果，真空及び水素雰囲気中にて，スラリー球を入れたア
ルミナるつぼの蓋をしない条件における加熱処理が最適であり，目標とする粒径が 5 μm 以下の小さな結晶粒が集まった改良球の製造に成功した（図５）［１２］．
エマルジョン法は，様々な直径の微小球製造が容易で，し，トリチウムを生成する試験である［１３］．

真球度が高く，結晶粒径が均一などの優れた特徴を有している．核融合原型炉の早期実現に向け，Li 添加型 Li2TiO3トリチウムを回収するガスとして，１％水素添加ヘリウ

微小球の大量製造技術を確立したことは，日本のブラン

ムの混合ガスを，照射容器内の微小球充填部に通気した．

ケット設計の優位性を提示でき，かつ，他の ITER 加盟国

回収されたトリチウムの化学形としては，HT ガス成分とを含めた全世界に対し，核融合発電炉の実現に向けた大きHTO 水成分の２種類が存在する．そこで，HTO 水成分はな期待と将来性を示すことができるものである．

１番目の水バブラーにより回収し，残った HT ガス成分は海外からの注目も高く，本研究の成果は，第１１回核融合

水バブラーでは回収不可能なため，酸化触媒にて HT ガス炉技術に関する国際会議（ISFNT-11）
・Miya-Abdou Fu-

を HTO に酸化した後，２番目の水バブラーにて回収した．

sion Nuclear Technology Award を受賞し，国内だけでな回収したトリチウム量は，液体シンチレーションカウン

く，海外からの高い評価も得た．

ターにより測定し，トリチウム放出特性を評価した．

２．
４ トリチウム放出特性

図７に HT と HTO ガスの和（生成トリチウム量）の時間

これらの試作球と改良球を用いて，結晶粒径がトリチウ依存性を示す．試作球は結晶粒径が大きいため，製造したム放出特性に与える影響を評価するため，核融合中性子源

トリチウムが結晶粒内から微小球表面へ移動する速度が極施設（FNS）にて，４５０℃で５時間の条件下で中性子照射試

めて遅く，照射５時間後もトリチウム放出が続く状態で験を行った（図６）．微小球約70 gを充填した容器に，核融あった．一方，改良球のトリチウム放出速度は試作球より合炉のプラズマから発生するものと同じ DT 中性子を照射も早く，製造したトリチウムのほぼ全量が放出できること
８５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.93, No.2 February 2017を図８に示す．Li 添加型 Li2TiO3 の場合は，10 μm 以上の大き な 結 晶 粒 を 有 す る 微 小 球 で あ る の に 対 し，
20wt%Li2ZrO3 を混合することで，大気焼成においても，トリチウム放出特性に優れている 5 μm 以下の結晶粒を有する微小球製造に成功した［１４］．
また，エックス線回折測定では，20wt%Li2ZrO3 を混合したにもかかわらず，LTZO20 微小球中に Li2ZrO3 は観察されず，Li 添加型 Li2TiO3 と同一の単一相を示した．これは，
Li2ZrO3 が Li 添加型 Li2TiO3 に固溶した特殊な状態（固溶体）であることを示している．
更に，この新たな LTZO２０微小球に DT 中性子を照射し，トリチウムの放出特性を評価した．トリチウム増殖材料の使用温度範囲（３００〜９００℃）にて，中性子を５時間照射す
る試験を行い，トリチウム放出特性を評価した結果，主に，
図７

Li 添加型 Li2TiO3 のトリチウム放出特性評価（参考文献［１３］の図４及び図５を引用）．

核融合燃料として取り扱いが容易なガス（HT）として放出されることがわかった（図９）．

を明らかにし，トリチウムの生産性に優れた先進トリチウ

一方，処理プロセスが複雑となる（HT）水成分は最大約

ム増殖材料の微小球製造に成功した．

１％と，従来の Li2TiO3 の場合（６００℃測定にて約３０％）と２．
４ スーパー先進トリチウム増殖材料

比較して極めて少量であるとともに，微小球中の残留トリ

高温長時間使用時においても化学的安定性に優れた Li

チウム量は，高温になるほど少なくなり，トリチウム放出

添加型 Li2TiO3（Li/Ti＞2.0）は，焼成時に添加した Li が大特性に優れていることを明らかにした．

気中の CO2 と反応し，トリチウム放出特性に影響を与える

Li 添加型 Li2TiO3 に Li2ZrO3 を添加した LTZO 微小球は，10 μm 以上の大きな結晶粒を有する微小球となるため，簡

特殊な固溶体状態であり，より多くの Li 添加の可能性を有

易な大気中での製造が不可能であり，複雑な真空及び水素雰囲気中における焼成が必要であった．
そこで，高い Li 原子密度を維持しつつ，大気中でも目標とする 5 μm 以下の結晶粒径を有する新たな先進トリチウ
ム増殖材料微小球開発として，Li 添加型 Li2TiO3 に Li2ZrO3を混合した微小球製造を，エマルジョン法にて試みた．
製作した Li 添加型 Li2TiO3（Li2ZrO3 混合なし）及び Li
添加型 Li2TiO3 に２０wt%Li2ZrO3 を混合した LTZO２０微小球
表面の走査電子顕微鏡観察結果とエックス線回折測定結果（a）Li 添加型 Li2TiO3（b）Li 添加型 Li2TiO3＋２
０wt%Li2ZrO3（LTZO20）
図８

Li 添 加 型 Li2TiO3 及 び Li 添 加 型 Li2TiO3＋20wt%Li2ZrO3（LTZO20）微小球表面の走査電子顕微鏡観察結果（左）とエ ッ ク ス 線 回 折 測 定 結 果（右）（参 考 文 献［１４］の 図４を 引
用）
．

図９

８６

LTZO20 固溶体微小球のトリチウム放出量の温度依存性．

Commentary

Cutting Edge of R&D in Solid Tritium Breeder Materials -Toward the "Solid" Blankets

T. Hoshino et al.

する，スーパー先進トリチウム増殖材料としての開発に，

ウム密度を有することが利点として挙げられる．一方で，見通しを得た．

増殖材微小球の圧壊強度が小さく，核融合炉ブランケット
内部の熱膨張や照射に伴う劣化によって粉砕することが懸

３．欧州における先進トリチウム増殖材料

念されていた．

３．
１ 溶融方式による微小球の製造

現在，増殖材微小球の圧壊強度の向上を目的に，Li4SiO4

欧州の固体トリチウム増殖材材料の微小球製造を担当すに Li2TiO3 を添加した二相混合組成の材料開発が進められるカールスルーエ工科大（KIT）
で は，
微 小 球 製 造 法としている［１５］．図１１に Li2TiO3 を 20 mol％添加した二相混合て，高温溶融方式を採用している．従来方式と新方式の概組成微小球の写真と走査型顕微鏡（SEM）
観察図を示す．エ

念図を図１０に示す．本法では，貴金属るつぼ（①）内で始発

ネルギー分散型 X 線分析（EDX）
による Ti と Si の分布から，原料を高温溶融（②）し，落下過程の急冷却によって微小球

これらの二相は分離し，Li4SiO4 結晶粒の周辺に 細かなを製造する．るつぼ内で使用済み微小球を直接溶融し，再Li2TiO3 粒 が 分 布 し て い る こ と が 確 認 さ れ た．ま た，

製造することができるため，化学分離過程を必要としない

Li2TiO3 の添加量と微小球の圧壊強度の関係を図１２に示す．

簡便なリサイクル法も兼ねた微小球製造法である．従来方

Li2TiO3 添加の結果，従来材と比較して 20 mol％添加で式では，原料を溶融させた後に溶融した増殖材料を流し出

1.5 倍，30 mol％添加で 1.5〜３倍程度，微小球の圧壊強度のし，空気の噴射（③）
によって微小球を冷却・成形していた．しかしながら，本手法では微小球製造条件の調節パラメータが少なく，微小球の高密度化やサイズ制御が困難であった．
そこで新方式では，貴金属るつぼの出口にピンホールノ
ズルを取り付け，るつぼ上部のガス入り口（④）のガス圧によって流出速度を調節できるように変更した．その結果，
出口ノズル径（⑤）と流速の最適化により，微小球サイズの制御に成功した．また，冷却過程の制御により，旧方式と比較して気孔率や欠陥が小さく，高密度なペブルを製造することも可能となった．
３．
２ 二相混合（Li4SiO4-Li2TiO3）増殖材の開発
これまでの欧州における固体トリチウム増殖材料は，
Li4SiO4 に 2.5 wt％の酸化ケイ素（SiO2）を添加した組成を始発原料とし，微量の Li2SiO3 を含む Li4SiO4 が製造されていた．本材料は低放射化特性や，Li2TiO3 と比較して高いリチ

図１
１ 二相混合組成微小球の写真（左上），走査電子顕微鏡による表面観察（右上）と元素分布結果（下）（参考文献［１４］の図１と図３を引用）．

図１
０ 新旧溶融方式による微小球の製造（参考文献［４］
の図１を
引用）
．

図１
２ 二相混合（Li4SiO4＋Li2TiO3）微小球の圧壊強度変化（参考文献［４］の表１を引用）．

８７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.93, No.2 February 2017

向上に成功し た．ま た 二 相 混 合 微 小 球 に 長 時 間 熱処理

リサイクル回数に応じて変化せず，長期放射性核種を生じ（９５０℃，３週間）を施した場合でも緻密な微細構造を維持る不純物（CoやAl等）も初期濃度から大きく変化しなかっしていたことから，第二相のLi2TiO3 は，高温で生じる結晶

た．一方で，Pt，Rh，Au は再製造回数に応じて不純物量が粒成長を制御する効果があると考えられる．トリチウムの増加した．これは，高温熱処理の際，貴金属るつぼの構成

粒内拡散は放出における律速過程の一つと言われているた成分が溶融した増殖材料に溶け出したことが原因と考えらめ，本先進トリチウム増殖材料では，高温条件下でも急激れる．これら貴金属不純物は，微小球のマクロな特性にはな粒成長を生じず，ブランケット内で安定的にトリチウム

ほとんど影響しないが，放射化特性，すなわち遠隔操作レを放出することが期待される．

ベルまでの保管期間に影響する可能性を明らかにした．

３．
３ 多重再製造試験（Multiple fabrication test）

３．
４ リサイクル指針の確立に向けた放射化計算

使用済微小球のリサイクル技術の確立に向け，二相混合多重再製造試験の結果に基づき，放射化計算コードを用

微小球を溶融後に再度微小球を製造する繰り返し試験であいて不純物の増加がリサイクル特性に与える影響を評価しる，多重再製造試験（Multiple fabrication test）により，複た．まず，連続エネルギー中性子計算コード（Monte Carlo

数回の再製造が微小球の機械的特性や化学組成に与える影

N-particle Transport Code，MCNP）を用い，ヘリウム冷却響を調べた［１６］．本試験では，微小球の再製造を５回繰り

固体増殖方式の原型炉固体ブランケットに照射される中性返し行い，微小球の圧壊強度と不純物量を調べた．

子束を計算した［１７］．本計算では核融合炉全体から生じる

図１３と図１４に再製造に伴う圧壊強度と不純物量の変化を

二相混合増殖材の平均的な放射化特性を評価するために，示す（注：再製造０回は初期製造ペブルを意味する）．再各ブランケットの平均中性子束を加重平均し，炉全体の平製造による圧壊強度には，大きな影響は生じなかった．ま均中性子束を算出した．次に， 微小球製造→３年間の原た，不純物量に関しては，Fe 等の原材料由来の不純物量は型炉使用→遠隔操作可能レベル（10 mSv/h）まで保管→微小球製造

を１５回繰り返す計算ループを構築し，リサイク

ルに伴う放射化特性の変化を調べた．ここで，微小球の線量率（contact dose rate）は，放射化計算コード FISPACT
によって計算した．本ループでは多重再製造試験の不純物
量分析結果に基づき，再製造時には微量の貴金属不純物が添加されるように設定した．また，本過程では，るつぼ内で燃焼したリチウム量を補填することも想定し，増殖材のリチウム量を初期製造時の濃度に戻した．
初期製造微小球と複数回リサイクルされた微小球の線量率の経時変化を図１５に示す．支配核種は原材料由来の６０Co
及び26Al，そして貴金属るつぼ由来の193Pt と102Rh であった．使用済トリチウム増殖材微小球は２０年前後の保管期間の後，遠隔レベル（10 mSv/h）に到達した．Li2TiO3 の添加に起因して46Sc（半減期 5.1 年）が生成するが，この核種が
図１
３ 二相混合微小球の多重製造試験に伴う圧壊強度変化（参考文献［１５］の図３を引用）．

図１
４ 二相混合微小球の多重製造試験に伴う不純物量変化（参考文献［１５］の図２を引用）．

図１
５ 増殖材微小球のリサイクルに伴う放射化特性の変化（参考文献［１６］の図６を引用）．

８８

Commentary

Cutting Edge of R&D in Solid Tritium Breeder Materials -Toward the "Solid" Blankets

T. Hoshino et al.

４．
２ 特性評価（圧壊強度，長時間加熱試験）

保管期間に与える影響は限定的であった．更に増殖材微小球の保管期間を短縮するためには，純度の高い原料（特に微小球製造法としてエマルジョン法を選択した結果，

低 Co 含有原料）を使用すること，貴金属るつぼ由来の Rh

Li2TiO3 の混合量を 90 mol％まで高めることが可能となっ添加を低減すること等が重要である．仮にるつぼ由来のた．得られた Li4SiO4+Li2TiO3 混合微小球の圧壊 強 度 のRh 添加量を最小化できれば，最大約６年の保管期間短縮

Li2TiO3 混 合 量 依 存 性 を 図１７に 示 す．Li2TiO3 混 合 量の 増 加 と と も に 圧 壊 強 度 は 向 上 し，最 大 で 約 65 Nが可能となる．

（90 mol%Li2TiO3 混合時）と，KITの溶融方式による微小球

４．BA 活動における日欧の協力研究

製造時の圧壊強度をはるかに凌駕する，高い値が得られた．

４．
１ エマルジョン法による欧州先進材の微小球製造

また，本微小球を用い，管状炉にて長時間加熱試験を欧州にて開発中の先進トリチウム増殖材料は，Li4SiO4行った．加熱温度は原型炉ブランケットの最大使用温度とに Li2TiO3 を混合した材料である．Li2TiO3 の添加量を増やして検討されている９
００℃，雰囲気はトリチウムのバージすことで，従来材のLi4SiO4 の課題である微小球の圧壊強度ガスである 0.1％ 水素を添加したヘリウムガス雰囲気によを，飛躍的に向上させることに成功した．

る試験とした．一例として，Li2TiO3 混合量 30 mol％の場合

しかしながら，欧州における微小球製造法は，始発原料における結果を図１８に示す．最大１２８日間の加熱試験をとして用いる Li4SiO4 及び Li2TiO3 粉末を最初に溶融させる行ったが，走査電子顕微鏡における微小球の微細構造観察手法であり，Li2TiO3 の混合量の増加に伴い融点が上昇すでは大きな変化はみられなかった．更に，他のLi2TiO3 混合

るため，その混合量は 40 mol％に制限される．
一方，日本における微小球製造法であるエマルジョン法
は，始 発 原 料 粉 末 を 溶 融 さ せ る プ ロ セ ス は 無 い た め，
Li4SiO4 に，より多くの Li2TiO3 を混合できると考えた．そこで，BA 活動における日欧の協力研究として，エマル
ジョン法による Li4SiO4 + Li2TiO3 混合微小球製造に着手した．
まず，Li4SiO4 + Li2TiO3 混合粉末を用いて，図４のエマル
ジョン法に必要なスラリーの準備を試みたが，Li4SiO4 はス
ラリーに含まれる水への溶解性が高く，微小球製造に最適な粘性を有するスラリー製造が困難であった．
そこで，始発原料粉末としては，水への溶解度が低い
及 び Li2TiO3 を 基 材 と し，Li4SiO4
Li2SiO（Li/Si＝2）
3（Li/Si＝4）に 不 足 分 の Li 量 は，Li2CO2 を 更 に 混 合 し た，

図１
７ エマルジョン法 Li4SiO4＋Li2TiO3 混合微小球の圧壊強度（参考文献［１
９］
の図１
０を引用）
．

Li2SiO3，Li2TiO3 及 び Li2CO2 の 三 相 混 合 ス ラ リ ー を 用
い，微小球製造を行った［１８‐１９］．
エマルジョン法による微小球製造後の XRD 結果を図１６に示す．スラリー球を焼結した結果，微量の Li2SiO3 を含む
ものの，目的とする Li4SiO4 + Li2TiO3 混合微小球の製造に成功した．本結果は，スラリー球の焼結プロセスにおいて，
Li2SiO3 と Li2CO2 が反応することにより，Li4SiO4 が得られることを示唆している．

図１
６ エマルジョン法にて製造した Li4SiO4＋Li2TiO3 混合微小球の XRD 測定結果（参考文献［１８］の図５を引用）．

図１
８ エマルジョン法 Li4SiO4＋Li2TiO3 混合微小球の長時間加熱
試験．

８９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.93, No.2 February 2017

小球の大量製造，充填体の熱機械特性，過酷な中性子照射量に関しても，同様の結果が得られた．

環境等において，材料健全性を維持するための新たな課題

これらの結果より，日本の微小球製造法であるエマル
ジョン法を用いることで，Li4SiO4 に 溶 融 法 よ り 多くのが生じる可能性もある．

Li2TiO3 を混合できるとともに，得られた微小球は高圧壊

しかしながら，この新たな課題が生じた場合でも，固体強度及び化学的安定性を有しており，新たな先進トリチウ

トリチウム増殖材料の研究開発を継続するとともに，ブラム増殖材料の微小球製造に見通しを得た．

ンケットや原型炉設計と材料開発の連携をより強化することで，ITER-TBM 計画や原型炉設計を成功に導き，核融合

５．固体トリチウム増殖材料開発の展望

炉実現に貢献できると確信している．

日本は，Li 添加型 Li2TiO3 に 20wt%Li2ZrO3 を混合した，更なる Li 原子密度を有する（トリチウム増殖比 TBR の向参考文献

上が期待できる）スーパー先進トリチウム増殖材料の開発［１］N. Roux et al., J. Nucl. Mater. 233-237, 1431 (1996).
［２］N. Roux et al., Fusion Eng. Des. 41, 31 (1998).
［３］R. Knitter and B. L!bbecke, J. Nucl. Mater. 361, 104 (2007).
［４］M.H.H. Kolb et al., Fusion Eng. Des. 86, 2148 (2011).
［５］L.M. Giancarli et al., Fusion Eng. Des. 109-111, 1491 (2016).
［６］K. Tsuchiya et al., J. Nucl. Mater. 253, 196 (1998).
［７］T. Hoshino et al., Fusion Eng. Des. 61-62, 353 (2002).
［８］T. Hoshino et al., J. Nucl. Mater. 417, 684 (2011).
［９］T. Hoshino et al., Fusion Eng. Des. 86, 2172 (2011).
［１０］T. Hoshino and M. Nakamichi, Fusion Eng. Des. 87, 486(2012).
［１１］T. Hoshino et al., Fusion Eng. Des. 109-111, 1114 (2016).
［１２］T. Hoshino, Fusion Eng. Des. 98-99, 1788 (2015).
［１３］T. Hoshino et al., Fusion Eng. Des. 109-111, 1114 (2016).
［１４］T. Hoshino, Nucl. Mater. Energ. 9, 221 (2016).
［１５］R. Knitter et al., J. Nucl. Mater. 442, S433 (2013).
［１６］O. Leys et al., Fusion Eng. Des. 107, 70 (2016).
［１７］K. Mukai et al., Fusion Eng. Des. 100, 565 (2015).
［１８］M.H.H. Kolb et al., Fusion Eng. Des. 115, 39 (2017).
［１９］M.H.H. Kolb et al., Fusion Eng. Des. 115, 6 (2017).

に成功した．同時に，EU は，Li4SiO4 に Li2TiO3 を混合した微小球を開発し，Li4SiO4 微小球で懸念されていた圧壊強度の向上に成功し，新たなトリチウム増殖材料の開発指針を得た．
これらの研究成果は，核融合原型炉使用環境下においても，従来材より化学的安定性の高い先進トリチウム増殖材料を開発することを目標とした，約１０年間における BA 活動の集大成であり，固体トリチウム増殖材料の特性は，飛躍的な進展を遂げた．
いよいよ，国際熱核融合実験炉（ITER）にて，固体トリチウム増殖材料をテストブランケットモジュール（TBM）に充填し，評価するフェーズが迫ってきた．同時に，核融合炉原型炉の設計検討も開始し，TBR1.05 以上をめざした
核融合原型炉を見通すための，オールジャパンの取り組みも行われている．
この先，実験室レベルでの研究開発から，ブランケットにおける実規模での材料評価へとシフトする．その際，微毅

東京大学大学院工学系研究科博士課程を修了し，現在は量子科学技術研究開発機構・
六ヶ所核融合研究所に所属．上席研究員として固体トリチウム増殖材料の開発（本!!!!!!!!!!!!!!!!

つよし

業）や発電する海水リチウム回収技術の研究（副業）に従事．
最近は，本業と副業が逆転するだけでなく，広報活動も担っています．出張が多く六ヶ所にいないのでは？と疑われますが，２４時間研究しているため，実は研究所の滞在時間は皆と同じぐらいです．

けい

すけ

２
０
１
４年に東京大学大学院工学系研究科博士課程を修了し，渡独．現在は日本学術振興会海外特別研究員としてドイツ・カールスルーエ工科大学に滞在しています．核融合炉固体増殖材の放射化計算，固体増殖材と低放射化構造材の化学的共存性実験をしています．昼休みに同僚と卓球のダブルスをするのが日課なのですが，記録を見ると統計的に週初めの戦績が悪いので，スロースターターなのかもしれません．

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ドイツ・シュトゥットガルト大学材料科学
専攻修士課程を修了後，現在はカールス
ルーエ工科大学の研究員をしています．核融合セラミックス材料が専門で，先進固体い!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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Kolb Matthias H.H.

むか向 井 啓 祐増殖材ペブルの機械強度特性評価を行いながら，同時に博士論文を執筆中．２
０１
６年には BA 活動・日欧協力研究のため，
量子科学技術研究開発機構・六ヶ所核融合研究所に３ヶ月間滞在しました．青森県の美しい山や海，伝統的なねぶた祭がとても印象に残っています．

Knitter Regina
ドイツ・ミュンスター大学鉱物学専攻博士課程（Ph.D.）修了．現在はカールスルーエ
工科大学（KIT）応用材料研究所の核融合
セラミックス部門長．専門分野は材料科学
及びセラミックス材料のプロセス開発で，２００
３年より KIT
で固体増殖材微小球の製造・開発を担当しています．趣味はハイキングと絵を描くこと．

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ほし!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!

の星 野!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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