静岡大学にて世界で初めて核融合炉向け W-Re合金における水素同位体プラズマ駆動透過実験を実施 －透過係数等の物理定数を決定－

【研究背景】

次世代のクリーンエネルギーとして期待される核融合発電では、重水素（D）とトリチウム（T）の核融合反応によって得られるエネルギーを利用します。核融合反応は高温プラズマ状態で維持されるため、炉壁となるプラズマ対向材には高融点・低スパッタ率を有するタングステン（W）が有力候補とされています。運転時のWは高エネルギーD・Tに加え、D–T反応で生成される中性子にも曝されます。核融合炉の実現には、プラズマの長時間維持と希少なTの厳密な管理が不可欠であり、そのためには実機条件に近いW中での水素同位体透過挙動を明らかにする必要があります。

しかし、中性子照射を受けたWでは一部がレニウム（Re）へ核変換し、同時に照射欠陥が導入されるため、水素同位体挙動に対するReおよび照射欠陥の影響評価が重要となります。中性子照射後の試料は放射化しており、取り扱い可能な施設は世界的に限られています。本研究グループは管理区域内にプラズマ駆動透過装置（SUMPPU）を設置することで、世界で唯一、中性子照射試料を対象としたプラズマ透過実験を実施してきました。本研究ではSUMPPUを用いたDプラズマ照射により透過だけでなく滞留挙動まで評価し、Re添加の影響解明を目指しました。


【研究の成果】

本研究では、W および W–10%Re 合金を試料として使用しました。照射欠陥を模擬するため、イオン照射研究施設（TIARA）において Fe²⁺ イオン照射を実施し、その後、試料を静岡大学の SUMPPUに導入しました。W および W–Re 合金に対してDプラズマ透過実験を行い、W–Reにおける透過挙動を評価しました。またDプラズマ照射後には昇温脱離法（TDS）を実施し、水素同位体の滞留挙動へのRe・照射欠陥影響を評価しました。

その結果、W–10%Re ではWと比較して透過フラックスが増加することが分かりました。実験から得られたパラメータを基に再結合定数を算出したところ、W–10%Re の再結合定数はWよりも小さいことが明らかになりました。再結合定数の低下は表面からのD放出を抑制し、試料内部のD濃度を増加させます。増加した内部Dが裏面へ拡散することで、W–10%Reにおける透過フラックスが大きくなることを示しました。

さらに、Re添加は照射欠陥の生成を抑制し、Dの捕捉サイトを減少させることで、D滞留量を大幅に低減することが分かりました。Re添加は再結合定数を減少させ、照射欠陥生成の抑制する効果が明らかとなりました。


【今後の展望と波及効果】

本研究で得られた知見は、照射環境を踏まえた W–Re 中の水素同位体移行ダイナミクスの理解を深め、核融合炉材料開発に必要な基盤データの構築に大きく貢献するものです。


【論文情報】

掲載誌名：Fusion Engineering and Design
論文タイトル：Hydrogen isotope permeation and desorption dynamics in W-Re alloys
著者：Yuzuka Hoshino, Robert Kolasinski, Yasuhisa Oya
DOI：https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2026.115841