ジルカロイ

ジルカロイとは

ジルカロイ（英語：zircaloy, zircalloy）は、金属元素であるジルコニウムを主成分とする合金の総称です。その優れた特性から、原子力発電など核技術分野において特に重要な材料として広く利用されています。

原子力分野での役割

原子力原子炉において、ジルカロイは主に燃料被覆管の材料として使用されています。これは、核燃料（ウランなど）を内部に収め、炉心内の過酷な環境から燃料を守り、冷却材や他の構造材との間で核分裂生成物が拡散するのを防ぐ役割を担う、原子炉の安全上極めて重要な部品です。

ジルカロイが燃料被覆管に選ばれる最も大きな理由は、熱中性子を極めてわずかしか吸収しないという性質にあります。原子炉内では、核分裂反応を効率的に維持するために熱中性子を有効に利用する必要がありますが、ジルコニウムは他の多くの金属に比べて中性子吸収断面積が非常に小さいため、連鎖反応を阻害することなく最大限のエネルギーを取り出すことが可能です。

代表的なジルカロイの種類

ジルカロイには、添加元素やその比率によっていくつかの種類があります。主要なものとしては以下が挙げられます。

ジルカロイ-1: ジルコニウムに約2.5重量パーセントのスズを添加した初期の合金です。しかし、時間とともに腐食が進みやすいという問題点があり、改良が必要となりました。
ジルカロイ-2 (Zry-2): ジルコニウム約98.25%、スズ約1.45%、クロム約0.10%、鉄約0.135%、ニッケル約0.055%、ハフニウム約0.01%といった組成を持ちます。
ジルカロイ-4 (Zry-4): ジルコニウム約98.23%、スズ約1.45%、鉄約0.21%、クロム約0.1%、ハフニウム約0.01%という組成で、ジルカロイ-2からニッケル含有量を減らすことで、特定の条件下での腐食特性を改善しています。

ジルカロイ-4はさらに改良が進められており、微量のニッケルを最適に添加することで、粒状腐食（ノジュラー腐食）に対する抵抗性が著しく向上したタイプも実用化されています。同時に、水素の取り込みや均一な腐食に対する性能は維持されています。

原子炉級ジルコニウムとハフニウムの分離

原子炉で使用するジルカロイは、含有するハフニウム（Hf）を極めて低いレベルに抑えた「原子炉級」と呼ばれる高純度品でなければなりません。これは、ハフニウムがジルコニウムの約600倍という高い中性子吸収能力を持つため、原子炉内に存在すると核分裂の連鎖反応を妨げてしまうからです。

しかし、天然のジルコニウム鉱石にはハフニウムが常に混入しており、これら二つの元素は化学的性質が非常に似通っているため、その分離は極めて困難なプロセスです。実際、ジルコニウムとハフニウムは、既知の元素の中でも特に分離が困難な組み合わせの一つとされています。

工業的なハフニウム分離方法としては、チオシアン酸塩として有機溶媒への溶解度差を利用する分別晶析法（主に米国）や、蒸留による精留法（主に欧州）などがあります。いずれの方法も複雑でコストがかかるため、ハフニウムを除去した原子炉級ジルコニウムの価格は、ハフニウムを含む工業用ジルコニウムの約10倍にもなり、原子炉建設コストを押し上げる要因の一つとなっています。一方、分離されたハフニウムは、その高い中性子吸収能を活かして、原子炉の制御棒の材料として利用されています。

ジルカロイの性質と安全上の課題

ジルカロイは原子炉環境下で優れた性能を発揮しますが、特有の性質とそれに関連する課題も存在します。

水素親和性と水素脆化: ジルカロイは水素と高い親和性があり、特に高温の水蒸気環境下で水素を取り込みやすい性質があります。取り込まれた水素はジルカロイを脆くする水素脆化（すいそぜいか）を引き起こし、燃料被覆管の破損リスクを高める可能性があります。
酸化反応と腐食: 酸素と容易に反応し、表面に強固な酸化被膜（不動態層）を形成することで、高い耐食性を示します。オーステナイト系ステンレス鋼に比べて腐食に強く、中性子透過性にも優れています。ただし、炭素（300ppm超）や窒素（40ppm超）などの不純物が一定量を超えると、耐食性が低下することが知られています。あらかじめ厚い酸化ジルコニウム被膜や二酸化チタン被膜を形成させておくことで、耐食性をさらに向上させる試みも行われています。
[冷却材喪失事故]時の挙動: 冷却材喪失事故のような高温条件下（1000℃以上）では、ジルカロイは冷却水（水蒸気）と反応して大量の水素ガスを発生させます。この反応は発熱を伴い、さらに発生した水素が原子炉建屋内に放出されると、空気中の酸素と混合して水素爆発を引き起こす危険性があるため、事故対応において重要な課題となります。

その他のジルコニウム合金と近年の動向

原子力分野では、ジルコニウムにニオブを主添加元素とする合金も使用されています。かつては、西側技術による原子炉がジルコニウム-スズ系（ジルカロイ）を、旧ソ連圏がジルコニウム-ニオブ系合金を主に採用するなど、技術的な潮流の違いが見られました。Zr705（Zr-5%Nb）などがその例です。

近年では、ジルコニウムに約1%のニオブを添加したZr-1% Nb系合金が、特に優れた耐食性を持つことから注目され、主要な燃料被覆管材料として広く開発・実用化されています。ロシアのE110、ウェスティングハウス社のZirlo、フラマトムANP社のM5などが代表的な商標として知られています。

医療分野での応用

原子力分野が主な用途ですが、一部のジルカロイ合金は、その優れた生体適合性や耐食性が評価され、医療分野において人工関節などのインプラント材料としても使用されています。

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