溶射技術（2024年9月）

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　２０２０年１０月の「２０５０年カーボンニュートラル」宣言に始まる日本のグリーン変革は、菅政権の「グリーン成長戦略」に始まり、岸田政権の「グリーントランスフォーメーション（ＧＸ）」に移り、現在「非化石燃料電源への転換」と、その財源とする「炭素税やＣＯ２排出量取引の実現」の２本立てで進められている。脱炭素化で石炭火力発電所の削減、原子力発電所の再稼働を軸に、電気自動車（ＥＶ）シフト、持続可能な航空機燃料（ＳＡＦ）の活用など、社会構造の変革が進められる中で、溶射業界も積極的に「グリーン加工」を打ち出す時期にきている。

脱炭素社会の実現と溶射技術の役割

【執筆】航空宇宙技術振興財団　評議員　伊藤 義康

動き始めたグリーントランスフォーメーション

　２３年２月、「ＧＸ基本方針」が閣議決定され、２３年５月にカーボンプライシングの導入を含む「ＧＸ推進法」、原発の実質６０年超運転などを盛り込んだ「ＧＸ脱炭素電源法」が成立し、２３年７月には「脱炭素成長型経済構造移行推進戦略」（ＧＸ推進戦略）が閣議決定された。ＧＸは動き始めたのである。

エネルギー関連産業のＧＸ推進

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　国内のＣＯ２排出量の４０・５％を占める「エネルギー転換部門」の脱炭素化は必須であるとして、政府は４分野を対象にＧＸ推進を表明している。表１は、各分野の主要機器・部品のコーティング技術についてドリルダウンした結果を示す。

水素・アンモニア燃焼タービンの開発

　液化天然ガス（ＬＮＧ）が燃料のガスタービン・コンバインドサイクル発電（ＧＴＣＣ）は、１９８０年代中頃に燃焼ガス温度１１００度Ｃ級の導入が始まり、９０年代後半に１３００度Ｃ級、２０００年代後半に１５００度Ｃ級、１０年代に１６００度Ｃ級と高効率化が進められた。これを可能としたのは耐熱材料、冷却技術、そして「コーティング技術」の開発である。

　図のように現在ではガスタービンの耐熱超合金部品には、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）によるジルコニア（ＹＳＺ）の遮熱コーティング（ＴＢＣ）と、減圧プラズマ溶射（ＬＰＳ）によるＭＣｒＡｌＹ合金の高温耐食・耐酸化コーティングは不可欠である。

　一方、１０年代中頃から脱炭素社会の実現を目指し、水素燃焼タービンの開発が始められた。２３年１１月、川崎重工業が世界初となる水素専焼が可能なドライ方式の燃焼器を搭載した出力１８００キロワットＧＴコージェネシステムを商品化した。

　また、２４年３月、三菱重工業が４万キロワット級中型ガスタービンによる水素専焼の実証試験をはじめ、今秋には４５万キロワット級大型ガスタービンで水素５０％の混焼を実証し、３０年の水素専焼ガスタービンの実用化をめざしている。

　さらに２２年６月、ＩＨＩは、液体アンモニアの直接噴霧燃焼方式でアンモニア専焼が可能な燃焼器を開発し、２０００キロワット級小型ガスタービンの実証に成功。２４年１月には、ＩＨＩと米ＧＥベルノバが大型ガスタービン用のアンモニア燃焼器を共同開発し、３０年の実用化をめざしている。

　水素・アンモニア燃焼タービンには、既開発のコーティング技術の転用が可能である。一方、発電用には大規模な水素・アンモニア貯蔵設備が必要で、容器や配管の水素ぜい化やアンモニア腐食割れ対策のコーティング技術開発が期待される。

原発向け事故耐性燃料の開発

　１１年３月の福島第一原発事故を発端に、翌年、米国議会がエネルギー省に事故時の水素発生を抑制する事故耐性燃料（ＡＴＦ）の開発を指示した。また、２２年２月には欧州委員会が、ＥＵタクソノミーの中でＡＴＦ装荷を適合条件の一つとするなど、実用化が急務となっている。現在、日米仏で３０年以降の早期実現をめざして開発が進められている。

　軽水炉用核燃料は、二酸化ウラン燃料ペレットをジルコニウム合金で被覆している。米国原子力規制委員会は近い将来のＡＴＦとして、クロム被覆ジルカロイ、改良ステンレス鋼被覆など、長期的なＡＴＦとしてシリコンカーバイド（ＳｉＣ）被覆などに絞り込み、核燃料メーカーとして仏フラマトムや米ウエスチングハウスが開発を進めている。

　国内でも、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）メーカーの三菱重工が物理蒸着（ＰＶＤ）によるクロム被覆ジルカロイ管、沸騰水型軽水炉（ＢＷＲ）メーカーの日立ＧＥニュークリア・エナジーが改良ステンレス鋼（ＦｅＣｒＡｌ－ＯＤＳ）被覆管とＳｉＣ被覆管、東芝エネルギーシステムズがＳｉＣ被覆管の開発を進めており、米国の研究炉などでの照射試験が行われている。

　ＳｉＣ被覆管では、化学気相含浸（ＣＶＩ）によるＳｉＣ長繊維強化ＳｉＣ複合材料（ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料、ＣＭＣ）が開発され、その表面には化学蒸着（ＣＶＤ）によるＳｉＣコーティングや、ＬＰＳやＰＶＤによるチタンコーティングが検討されている。