中東情勢の緊迫化や世界的な脱炭素化に向けた流れの中で、日本政府は重点戦略分野の一つとして「核融合」を位置づけている。そして、脱炭素とエネルギーの安定供給を両立させる次世代の基幹エネルギー源として、核融合発電の研究開発を加速させ、2030年代の発電実証を目指している。

　核融合発電の実用化において『材料開発』が大きなカギを握るとされる。核融合炉では猛烈な熱や中性子にさらされる部分など、場所によって材料が使われる環境が大きく異なる。さらに、それぞれの場所で熱や放射線、温度変化や電磁力によって生じる負荷など、複数の厳しい条件に耐えなければならない。そのための多様な材料を開発し、炉全体として成り立たせる必要がある。こうした数々の要因が材料開発を難しくしている。

　例えば、核融合炉の壁表面に使われる「プラズマ対向材料」は、超高温のプラズマからの激しい熱や高エネルギー粒子の照射を受け続ける。その結果、材料内部には原子レベルの微細な損傷が生じるだけでなく、表面の損耗や削られた物質の再堆積、さらには成長した堆積層の剥離といった複雑な現象を引き起こす。こうした過酷な環境に耐えられる材料の開発が必要不可欠だ。その一方、プラズマを強力な磁場で閉じ込める超伝導コイルは、極低温かつ強磁場という厳しい環境で使われる。さらに、巨大な電磁力に耐えながら超伝導状態を安定して維持する、高い構造信頼性も欠かせない。また、炉内で燃料となるトリチウムを生産する「トリチウム増殖ブランケット」の材料開発も重要な課題だ。これらの材料には、これまで人類が十分な実用経験を持たない未踏の極限環境で機能することが求められており、その実現自体が極めて大きな技術的挑戦となっている。

　「核融合炉は、超高温から極低温、さらには強磁場や中性子照射といった多様な極限環境が複雑に重畳する究極の場です。そこで要求される多機能かつ極限的な材料群を包括的に開発・制御することこそが、2030年代の発電実証に向けた最重要課題（最大のカギ）となります」と自然科学研究機構 核融合科学研究所 研究部 プラズマ・複相間輸送ユニット 教授　時谷政行氏は語る。

　核融合発電の実現に向けては、炉内の極限環境に耐えうる多種多様な材料や機器を開発しなければならない。

　その代表例が「ダイバータ」と呼ばれる機器だ。ダイバータは、核融合炉の中で発生する非常に大きな熱や粒子を受け止め、炉が安定して運転するために欠かせない役割を担う。

　「ダイバータ受熱機器には、一般的な産業界で用いられる除熱機器と比較して桁違いとなる、1㎡あたり10〜20MWもの超高熱流束を処理する性能が求められます。同受熱機器構造を製造するための接合技術は極めて高度であり、その開発においては、接合部の健全性を電子顕微鏡によりナノレベルで詳細に評価・制御することで、ようやく実用に耐えうる高強度な接合界面を実現できたという確かな経緯があります。この開発現場で培われた『ナノ・プロファイリング』の手法や知見は、同様の材料課題を抱える産業界や異分野の研究へも、広く役立てることができます」（時谷氏）。

　こうした技術の応用可能性を背景に、核融合材料研究で培われた知見を異分野へ展開する動きも進んでおり、すでに一部では具体的な共同研究や技術検討が始動している。具体的には、自動車のトランスミッションギアや半導体製造装置における重要部材の損耗メカニズム解明、製鉄分野における高度な構造材料開発、精密機器用熱電子エミッタの性能向上など、その対象は極めて幅広い。

　「対象となる産業分野や材料が異なっていても、材料の劣化や損耗、接合プロセスの根底には共通の物理現象が存在します」と時谷氏は語る。「この『共通の物理』を軸に捉えることで、核融合という最も過酷な極限環境下で磨き上げられた材料解析の手法は、異分野における現用材料の健全性評価から、次世代の新規材料開発の指針にいたるまで、産業・学術の両面で極めて高い汎用性を発揮します。この手法が、分野の枠を超えて、さまざまな産業における技術革新や、学術研究のさらなる発展を力強く後押しする鍵になると考えています」（時谷氏）。