セラミック3Dプリントが中国の核融合応用実現に貢献

2021年5月28日、中国科学院合肥市にある全超伝導トカマク型核融合実験装置（EAST）は、1億2000万度で101秒間、1億6000万度で20秒間のプラズマ繰り返し運転を達成し、新たな世界記録を樹立した。これにより、1億度で20秒間という当初の記録を5倍に伸ばした。

△改良・改修された全超伝導トカマク型核融合実験装置（EAST）。出典: 中国科学院合肥物理科学研究所プラズマ物理研究

△1億2千万度で100秒間「燃焼」に成功したときの「人工太陽」内部の赤外線画像。出典：中国科学院合肥物理科学研究所プラズマ物理研究所

この成果は、EAST装置の総合的な研究能力における大きな進歩を示すものであり、我が国が定常高パラメータ磁気閉じ込め核融合研究の分野で国際的な最先端をリードしていることを示しています。 EAST装置に関する一連の革新的な研究成果と技術の蓄積は、我が国が独自に核融合工学試験炉を建設するための強固な科学技術基盤も提供しました。

中国科学技術日報によると、深セン大学付加製造研究所の陳章偉教授と老長世教授のチームは、中国核工業集団西南物理研究所（以下、SWIP）と協力し、3Dプリントに基づく複雑な多孔質オルトケイ酸リチウムセラミック部品の統合自由設計と成形を初めて提案し実現した。これは、従来のマイクロボールベッド構造に取って代わり、新世代のトリチウム製造装置になると期待されており、重要な応用展望を示している。この結果はAdditive Manufacturing誌に掲載されました。

トリチウム製造ユニットは核融合炉の心臓部のようなものです。

原子核反応が発見されて以来、人々は原子力エネルギーの有効利用を絶えず模索してきました。

現在、ますます多くの科学者やエネルギー専門家が核融合に注目し始めています。核融合の原料は主に水素同位体、つまり重水素と三重水素です。重水素は海水に含まれており、水1リットルあたり約30 mg含まれています。 1,000メガワットの核融合発電所が1年間に消費する重水素はわずか304キログラムです。この計算に基づくと、世界の海水中の重水素は人類が数百億年使用するのに十分な量です。

しかし、トリチウムは自然界にはほとんど存在せず、生成するにはヘリウムとリチウムセラミック間の継続的な触媒反応が必要です。磁気閉じ込め核融合炉の重要な構成要素である固体トリチウム製造ブランケットは、核融合エネルギーの商業的応用の前に解決する必要がある中核課題の 1 つです。

現在、各国の科学者が好むトリチウム増殖材料は、リチウムオルトケイ酸塩（Li4SiO4）です。一般的な方法は、リチウムオルトケイ酸塩セラミックをヘリウムと反応させてトリチウムを生成することです。科学者たちは、この機能を実現するセラミック部品をトリチウム生成ユニットと呼んでいます。

従来のリチウムセラミックトリチウム製造装置では、一般的にリチウムオルトケイ酸塩を直径約1mmの微小球状にし、それを積み重ねてボールベッド構造を形成します。微小球間の隙間にヘリウムを注入することができます。

しかし、このトリチウム製造装置の充填率は制限されており、自由に制御することはできません。さらに、微小球の蓄積による応力集中により、トリチウム生成ユニット構造の変形や亀裂が生じやすくなり、ボールベッドの構造や性能の均一性や安定性に制約が生じます。

トリチウム製造装置が故障すると、核融合炉がスムーズに作動しなくなることに直結します。そのため、科学者たちはトリチウム製造ユニットの構造を最適化しようと努めてきました。

トリチウム生産効率を大幅に向上させるもう一つの方法

上記の問題に対応するため、2018年に陳章偉、老昌世らは西南物理研究所と共同で異なるアプローチを取り、リチウムオルトケイ酸塩セラミックユニットの3Dプリントを使用して、まったく新しい構造のトリチウム生成ユニットを開発することを提案しました。

しかし、3Dプリントが直面する最初の困難は、オルトケイ酸リチウムが環境に特に敏感で、水や二酸化炭素と容易に反応し、物理的破壊を引き起こしてメタケイ酸リチウムに変化してしまうことです。

「この目的のため、リチウムオルトケイ酸粉末の保管から印刷可能な粉末スラリーの調製、印刷プロセスの実現、熱処理までのプロセスにおける環境変数に厳しい制約と制御を課しました。たとえば、粉末スラリーの調製プロセスは不活性ガスで満たされたグローブボックス内で実行する必要があり、あらゆる種類の添加剤はリチウムオルトケイ酸と反応しない、水分を含まない有機溶媒材料でなければなりません。このような環境でスラリーを調製し、3Dプリントすることで、リチウムオルトケイ酸の物理的安定性を確保できます。」陳張偉教授は科技日報の記者に語った。

3D プリント後にリチウムオルトケイ酸塩粉末スラリーが速やかに固化できるようにするには、適切な硬化および成形方法を選択する必要があります。

「セラミック3Dプリントには主に2つの硬化・成形方法があり、1つは光硬化、もう1つは粉末焼結または溶融です。」陳張偉氏は、粉末焼結は高エネルギーレーザーを使用してセラミック粉末を高温で直接焼結し、目的の形状に成形する方法だが、温度が比較的高いため、ひび割れが発生しやすく、精度の制御性が悪いと述べた。光硬化は、ひび割れ欠陥が少なく、印刷精度が高いだけでなく、多孔質構造の詳細を強力に制御できます。

そこで研究チームは光硬化法を選択し、光硬化3Dプリント専用の高相純度オルトケイ酸リチウム粉末スラリーを開発しました。

陳張偉氏は次のように紹介した。「私たちは、厳選した有機化学添加剤成分と少量の感光性添加剤をリチウムオルトケイ酸塩粉末スラリーに混ぜました。添加剤は特定の波長の光に敏感です。スラリーに405ナノメートルの紫外線を照射することで、スラリーの光重合硬化を実現できます。」

3Dプリントされた構造部品はその後、高温で焼結され、1050℃で8～10時間焼成されてガラス化が達成される。これにより、固化した構造内のさまざまな添加物が除去され、環境中の水や二酸化炭素と反応しなくなる。「これらの化学添加物は物理的に追加されるので、オルトケイ酸リチウムにダメージを与えることはありません」と陳張偉氏は説明した。

この方法で印刷されたトリチウム生成ユニットは、欠陥のない統合構造です。テストの結果、ボールベッド充填率の制限と応力集中によって引き起こされる信頼性の問題を克服しました。その安定性と機械的特性は、従来のマイクロスフィア構造の2倍です。

この3Dプリントトリチウム製造ユニットのトリチウム製造効率も大幅に向上すると期待されています。従来のマイクロスフィア構造の最大デューティサイクルは65％ですが、3Dプリントは必要に応じて60％から90％の間で柔軟に調整できます。オルトケイ酸リチウムの比表面積もマイクロスフィア構造に比べて大幅に増加しています。

提案された3Dプリント技術は、核融合用コアセラミック部品の製造と応用において極めて革新的であるとして、国際的に高い評価を得ています。この研究は、核融合炉への応用に非常に有望であり、従来のペブルベッドセラミックトリチウム製造構造を置き換え、トカマク核融合反応技術の商業化を促進するさらなる可能性を提供します。

核融合炉の主要部品の試作が完了

人類が制御された核融合を達成するまでにはまだまだ長い道のりがありますが、それが目標に向けた努力を妨げるものではありません。

新たな先進的な製造方法として、3D プリンティングは従来の製造モデルを覆しました。 3Dプリント技術は、複雑な構造の一体成形を実現でき、製造サイクルが短く、材料利用率が高いという特徴があり、複雑な部品を製造するための重要な革新的方法です。核融合炉においては、独自の優位性が徐々に発揮されつつあります。

陳章偉教授によると、深セン大学積層造形研究所はこれまで西南物理研究所と連携し、核融合炉第一壁のCLF-1鋼材の選択的レーザー溶融プロセス（SLM、金属材料の積層造形における主要な技術的アプローチ）とその組織的性能制御について体系的な研究を行ってきた。初めて、不均質デュアル/マルチモード組織設計の考え方をSLM成形高強度・靭性低活性マルテンサイト鋼（RAFM、将来の核融合炉用に開発された鋼種）の開発に導入した。SLMプロセスパラメータとスキャン戦略の最適化に基づき、SLM成形CLF-1鋼は高強度と高塑性を兼ね備え、総合的な強度と靭性は現在の文献で報告されているRAFM鋼よりも大幅に優れている。

この研究は、3Dプリントされた高強度で強靭なRAFM鋼の構造設計に重要な理論的基礎と技術的指針を提供し、制御可能な組織特性を持つ核融合炉の主要コンポーネントの統合成形を促進します。

メディアの報道によると、2018年に中国科学院合肥物理科学研究所は3Dプリント技術を使用して、核融合炉の主要部品である被覆材の最初の壁サンプルの試作を実現した。

研究者らは、中国の低活性マルテンサイト鋼（CLAM）を原料として使用しました。印刷された部品サンプルの寸法精度は設計要件を満たし、材料の密度は99.7％に達し、従来の方法で製造されたCLAM鋼の強度に匹敵します。同時に、この研究では、3D プリントの層ごとの溶融と方向性凝固特性により、CLAM 鋼の微細構造と特性が方向によって異なることも判明しました。この違いは、将来、スキャンスキームの最適化と溶融プールの核形成の最適化によって効果的に低減、または排除することができます。この研究は、3D プリント技術が、核融合炉などの先進的な原子力システムの複雑な部品の製造に応用できる可能性が高いことを示しています。

基礎科学の急速な発展と3Dプリント技術の継続的な変革と革新は、エンジニアリング技術分野において人類に多くの想像力の余地を与えました。将来、核融合炉のすべてのコンポーネントが3Dプリントで製造されることは不可能ではありません。

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