JP2007171198A - 核融合炉の第１壁成分 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な方法で非破壊試験ができる、核融合炉の第１壁成分を提供する。
【解決手段】黒鉛材料、炭化物材料、タングステン及びタングステン合金の内の一つの材料からなる少なくとも１つの熱シールドと、銅合金のヒートシンクとを備える核融合炉の第１壁成分に関し、ヒートシンクは、噴霧成形による銅合金からなるものとする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、黒鉛材料、炭化物材料、タングステン及びタングステン合金の内の一つの材料からなる少なくとも１つの熱シールドと、銅合金のヒートシンクとを含む核融合炉の第１壁成分に関する。

かかる第１壁成分の典型的な使用例は、１０ＭＷ／ｍ²を超える極めて高い熱負荷に曝されるダイバータ及びリミッタのそれである。第１壁成分は、通常、熱シールドと、熱放散領域とを含む。熱シールド材料は、プラズマと適合し、物理的及び化学的スパッタリングへの高い耐性と、高い融点／昇華点とを有し、かつ熱衝撃に対するできるだけの耐性を備えなければならない。その上、高い熱伝導率、低い中性子放射化、及び適切な強度／破壊靱性も、良好な入手可能性及び許容できるコストと共に有さねばならない。タングステンは別として、黒鉛及び炭化物材料は、この多様で、かつある程度相反する一連の要求を最大に満たす。プラズマからのエネルギーの流れは、これらの成分に長期にわたって影響するので、かかる第１壁成分は、一般的には強制的に冷却される。熱除去は、通常材料結合によって熱シールドに接続される銅合金のヒートシンクを介してなされる。

熱シールド及びヒートシンクの異なった熱膨張特性に起因する塑性変形による応力を減少させるために、ヒートシンクが、高強度銅合金、例えばＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒからなる場合、熱シールドは、純銅中間層を介してヒートシンクに接続される。純銅中間層は、通常、この場合に０．５〜３ｍｍの厚さを有する。

第１壁成分は、様々な設計で作られることができる。ここで、平タイル、サドル及びモノブロック設計の間に区別がつけられる。平坦な接続区域を有する熱シールドが、冷却材が流れるヒートシンクに接続されるならば、これは、平タイル設計と称される。サドル設計の場合、半円形凹部を有する熱シールドは、管状形状のヒートシンクに接続される。ヒートシンクは、各場合において、入熱側面及び冷却媒体との間に熱接触を確立する機能を有し、かつそれによって、温度勾配、及び互いに結合された要素の異なった膨張係数によって引き起こされるヒートサイクル負荷に曝される。モノブロック設計の場合には、第１壁成分は、同心通路を有する熱シールドを備える。この熱シールドは、この同心通路によって冷却管に接続される。熱シールド及びヒートシンクは別として、第１壁成分は、更なる領域／部分、例えば鋼接続管を備えることもある。

第１壁成分は、ヒートサイクルによる機械的応力に耐えねばならないだけでなく、付加的に発生する機械的応力にも耐えなければならない。かかる付加的な機械的負荷は、第１壁成分内を流れ、周囲の磁場と相互作用する電磁誘導電流によって発生する。これは、熱シールド、あるいは熱シールド／ヒートシンク結合ゾーンによって運ばれなければならない高周波加速力の発生を伴う。

この場合における黒鉛と銅との間の結合領域は、かかる材料複合体の弱点となる。結合領域での改善された強度を有する冷却装置の製造方法が、特許文献１に記載されている。この場合に、溶融状態の銅は熱シールドと接触させられ、周期系の第ＩＶ及び／又は第Ｖ亜属の１種以上の金属元素が、接続操作中に結合領域に提供される。凝固銅層の凝固及び加工に続き、例えばＨＩＰ又ははんだ付け工程によって、ヒートシンクに接続される。ビーム溶接方法も、使用できる。

しかしながら、使用される材料の組み合わせ及び幾何学的条件のために、結合ゾーンの欠陥は、適切な方法によってのみ検出できる。第１壁成分に関しては、超音波試験法が、このために使用される。先行技術の成分の場合に超音波試験を行なうと、この用途に必要な分解能精度に関して、これまでヒートシンクに使用された材料が、局所的に過剰に異なる音波減衰を有する問題が生じる。

これに使用されるパルス反射法の場合には、欠陥から反射される音の振幅が、欠陥の大きさの指標として使用される。現在使用されている材料、及び核融合での使用に規定された重大な欠陥の大きさの場合、いずれの強度が、欠陥に由来するか、またいずれの要素が、ヒートシンクの材料によって吸収されたかを明白に区別することはできない。従って、振幅信号は、結合ゾーンの領域における欠陥の大きさの信頼できる表示を提供できない。かかる第１壁成分の核環境の下で、特にクラック／剥離が、より大きな事故を引き起こす要因と考えられるので、前述したことは、相応する問題を生じさせる。

従って、結合工程前に、ヒートシンクの音波減衰特性が、記録されねばならない。結合工程後、欠陥信号の強度が、再度決定され、かつヒートシンクの音波減衰特性が、それから差し引かれる。結果として生じた振幅レベルは、結合ゾーンの領域での欠陥の大きさと相関する。この試験法は、困難であり、測定結果の誤った解釈を起こしやすい。第１壁成分の多年の困難な開発作業にもかかわらず、今までのところ利用可能な構造要素は、非破壊試験に関して一連の要求を最適には満たしてはいない。

欧州特許第０６６３６７０号明細書

従って、本発明の目的は、簡易な方法で非破壊試験ができる、核融合炉の第１壁成分を提供することにある。

この目的は、請求項１の特徴によって達成される。即ち、本発明は、黒鉛材料、炭化物材料、タングステン及びタングステン合金の内の一つの材料からなる少なくとも１つの熱シールドと、銅合金のヒートシンクとを備える核融合炉の第１壁成分であって、前記ヒートシンクが、噴霧成形による銅合金からなることを特徴とする。

噴霧成形による銅合金のヒートシンクが使用される場合には、異なる音波減衰は起きない。

噴霧成形法は、半製品金属生成物を生成する方法である。それは、溶融物を固体状態に変形することと、同時に中間噴霧化ステップによって中間成形体を作ることを含む。この中間成形体は、ビレット（塊状材料）であり、それは、従来の成形方法によって更に加工される。噴霧成形法は、粉末冶金及び押し出し加工の間に分類される方法である。

噴霧成形による銅合金が使用される時、材料内の局所音波減衰は、減衰ダイアグラムを記録することが必要でない程度まで均質であることが発見された。この場合に、銅合金の平均粒度が、５０μｍより小さい場合に有利であることが判明している。更に、銅合金の狭い粒度分布も、好適である。ｄ₅₀及びｄ₉₀値は、次の関係：ｄ₉₀＜３×ｄ₅₀を満たすことが好ましい。ここで、ｄ₉₀は９０％の粒子が超えない粒径を意味する。同様に、ｄ₅₀は５０％の粒子が超えない粒径を意味する。

噴霧成形による銅合金が使用される時でも、それらが、析出硬化可能であるならば有利であることが判明しており、それが、例えばＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金（ＤＩＮ ＥＮ ２．１２９３）に関して当てはまる。この場合に典型的なクロム含有量は、０．３〜１．２重量％の間にあり、かつジルコニウム含有量は、０．０３〜０．３重量％の間にあり、残部は、Ｃｕ及び典型的な不純物によって構成される。

すでに言及したように、噴霧成形法によるビレットは、押し出し又は圧延のような従来の成形方法によって更に加工される。超音波画像の適切な均質性を達成するために、変形度が、７０％よりも大きいことが好ましい。本発明によるヒートシンクによれば、モノブロック形の第１壁成分及び平タイル形の第１壁成分の両方が、生成できる。本発明によるヒートシンクが、粒子の微細さ、及びまた選択された合金元素によって高い強度を有するので、純銅中間層が、ヒートシンク及び熱シールドの間に配設され、塑性変形による応力を減少させることに役立つようにすることが有利である。

結合ゾーンの領域におけるより簡易で、かつより信頼できる非破壊試験の利点は別として、噴霧成形による銅合金は、極めて安定した微細構造も有する。例えば、噴霧成形法によるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金は、溶液焼きなまし温度にほぼ対応する温度でのみ再結晶する。この微細構造の安定性は、熱シールド及びヒートシンクの間の材料結合に必要な温度が、概して７００℃〜１０００℃の範囲にあるので、特別に重要である。溶融−冶金学的に生成されたヒートシンクの場合には、再結晶及び粒子粗大化をもたらし、このことは、特に薄壁、圧力支承構造部分において極めて重要であるが、噴霧成形法による材料の場合には、微細構造の変化が回避される。

本発明は、実施例により、以下で更に詳細に記載される。

０．８重量％のクロム含有量、０．１５重量％のジルコニウム含有量、並びに残部が銅及び不純物によって構成されるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金が、第１壁成分を生成するために使用された。

銅合金は、次のステップにより調整された：
第１に、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金は、誘導加熱により溶融された。溶融物は噴霧化ノズル中で窒素によって、約７５μｍの直径を有する小滴に噴霧化された。噴霧化ノズルから基板保持器への小滴の飛行距離は、それらが基板保持器上に衝突する時、小滴が、固相線温度及び液相線温度の間の状態にあるように選択された。結果として、約４７０ｍｍの直径を有するビレットが、基板保持器上に蓄積した。ビレットの平均粒度は、この場合１００μｍであった。樹枝状構造、及び樹枝状組織内空間の偏析は、高い冷却速度によって回避された。ビレットの更なる加工は、押し出し及び圧延によって行われた。長さ５００ｍｍの部片に切断された圧延バーの断面は、３０×６５ｍｍであった。粒度の試験による平均粒度は、３０μｍであった。この場合、９０％の粒子は、７０μｍより小さい粒度を有した。溶融−冶金学的に生成された材料とは対照的に、音波減衰特性を決定するためにこのＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒバーに行われた超音波試験は、試験を行った物量において、均質な音波減衰を示した。その後、厚さ２ｍｍの純銅板（６５×５００ｍｍ）が、このバーの上に置かれた。それによって得られた結合物が、鋼製缶内に設置された。この缶は、ＴＩＧ溶接によって密封され、密封後に排気され、かつ気密に封止された。その後、熱間等静圧圧縮成形操作が、１０００℃で、かつ１０００バールで行われ、それにより欠陥のない材料の結合が、純銅板と噴霧成形法によるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒバーとの間で形成された。欠陥検出の限界を確認するために、２〜１０ｍｍの直径範囲の浅い穴、及び同様に２〜１０ｍｍのスリット幅を有する交差スリットが、純銅側面に作られた。穴及び交差スリットの両方は、純Ｃｕ／Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ接合ゾーンに達した。それ故に、それらは、一般的に存在し得る欠陥を表示する。その後の超音波試験において、欠陥評価に使用されるべき、予め記録された音波減衰特性なしに、導入された全ての欠陥が、明瞭に検出されることが可能であった。

超音波試験として、複合体が、パルス反射法により、３０ｍｍの厚さにわたって結合ゾーンの方向で、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ側面からの超音波伝播を受けた。このテストは、浸液法によって行われた。次の方法パラメータが選択された：
試験周波数：５ＭＨｚ
試験ヘッド：Ｈａｒｉｓｏｎｉｃ １３−０５０６−Ｒ
振動直径：０．３７５"
集束：２"ＳＰＭ。

その後行われた金属組織試験によって、初期状態と比較して、実際に微細構造の変化がないことが示された。

Claims (8)

1. 黒鉛材料、炭化物材料、タングステン及びタングステン合金の内の一つの材料からなる少なくとも１つの熱シールドと、銅合金のヒートシンクとを備える核融合炉の第１壁成分であって、前記ヒートシンクが、噴霧成形による銅合金からなることを特徴とする核融合炉の第１壁成分。
2. 銅合金が、５０μｍより小さい平均粒度を有することを特徴とする請求項１に記載の第１壁成分。
3. 銅合金の粒度分布のｄ₉₀値及びｄ₅₀値が、ｄ₉₀＜３×ｄ₅₀の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の第１壁成分。
4. 銅合金が、析出硬化可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の第１壁成分。
5. 銅合金が、０．３〜１．２重量％のＣｒと、０．０３〜０．３重量％のＺｒと、残部のＣｕおよび通常の不純物とから成ることを特徴とする請求項４に記載の第１壁成分。
6. 銅合金が、７０％より大きな変形度を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の第１壁成分。
7. ヒートシンクと熱シールドとの間に、純銅中間層が配設されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の第１壁成分。
8. 第１壁成分が、モノブロックスタイルで、又は平タイルとして形成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の第１壁成分。