JP2008533492A - 核融合炉用の第一壁構成部材 - Google Patents

Abstract

本発明は、核融合炉の第一壁構成部材に関するものである。この構成部材は、領域Ａがプラズマ側のほうにあり、領域Ｂがこの反対側に位置し、黒鉛材料から構成されている、少なくとも１つの熱シールドを備えている。熱シールドは、面ＡまたはＢにその端部がくる、ほぼ冷却管の軸方向に配向を施された、１つ以上のスロットを備えている。これらの構成部材は、製造と熱サイクルの両方から生じる機械的応力に適切に対応する。

Description

本発明は、黒鉛材料からなる、閉鎖または開放貫通部を備えた少なくとも１つの熱シールドと、冷却材が貫流し、少なくとも部分的に熱シールドと材料結合し、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋより大きい材料から構成される冷却管が含まれている、核融合炉の第一壁構成部材に関するものである。

このタイプの第一壁構成部材の典型的な利用例の１つが、１０ｍＷ／ｍ²を超える最大可能熱負荷にさらされるダイバータ及びリミッタである。第一壁構成部材は、通常、熱シールドと、熱放散領域から構成される。熱シールドの材料は、プラズマに耐え、物理的及び化学的スパッタリングに対する高い耐性を備え、融点／昇華点が高く、熱衝撃に対してできるかぎりの耐性を示なければならない。さらに、熱シールドの材料は、入手しやすく、許容できるコストであることに加えて、熱伝導率が高く、中性子放射化能力が低く、十分な強度／破壊靭性も備えなければならない。例えば、タングステンのような高融点金属以外に、黒鉛材料（例えば、繊維強化黒鉛）が、この多様で、場合によっては、相反することもある要件仕様を最適に満たす。プラズマからのエネルギ流が、長い時間期間にわたって、これらの構成部材に作用するので、このタイプの第一壁の構成部材は、一般に能動的に冷却される。放熱は、例えば、銅または銅合金から構成され、通常、熱シールドに機械的に結合されたヒート・シンクによって補助される。

第一壁構成部材は、さまざまな設計で実現することが可能である。これに関して、通常の設計は、モノブロック設計として知られるものである。モノブロック設計の場合、第一壁構成部材は、同心穴を備える熱シールドから構成される。熱シールドは、この同心穴を介して冷却管に接続される。

第一壁構成部材は、熱的に誘導される応力だけではなく、さらに、機械的に発生する応力にも耐えなければならない。こうしたさらなる機械的負荷は、構成部材に流入して、まわりの磁界と相互作用する電磁誘導電流によって発生する可能性がある。この場合、熱シールドによって、すなわち、例えば、黒鉛材料によって伝達しなければならない、高周波加速力が生じる可能性がある。しかしながら、黒鉛材料は、機械的強度及び破壊靭性が低い。さらに、使用中、中性子の脆化が生じ、従って、結果として、亀裂の誘導に対するこれらの材料の影響されやすさをいっそう増すことになる。繊維強化黒鉛（ＣＦＣ）が、通常、黒鉛材料として用いられる。繊維強化材は、この場合、３次元的に及び線形に配列される。ファイバの構造は、配向に応じて、材料にさまざまな特性を付与する。ＣＦＣは、通常、最高の強度と、かつ、最高の熱伝導率も有するＥｘピッチ・ファイバによって、１つの配向において強化される。他の２つの配向は、Ｅｘ−ＰＡＮファイバによって強化されるが、一般に、一方向だけしかニードリングが施されない。従って、ＣＦＣは、線形材料構造を有するが、熱シールド／冷却管接続部の幾何学形状は円形である。用いられる材料の熱膨張係数が異なるため、生産工程中、ＣＦＣ亀裂をもたらす可能性のある応力の増大が生じる。これらの亀裂は、幾何学的条件及び用いられる材料の組み合わせのために、仮に検出されたとしても、極めて複雑な方法によってしか検出することができない。このことは、とりわけ、亀裂／剥離が、やはり、大事件の予測されるトリガであるとみなされているので、こうした構成部材に関する核環境を背景にして、対応する問題を提示する。第一壁構成部材の分野における数年にわたる複雑な開発活動にもかかわらず、これまでに得られた構成部材は、要求仕様を最適に満たすものではない。

本発明の目的は、従って、機械的応力によって生じる要求仕様を適切に満たす第一壁構成部材を提供することにある。

この目的は、請求項１の特徴によって実現される。この第一壁構成部材は、面Ａがプラズマ側にあって、面Ｂがこの反対側に位置する、黒鉛材料から構成される少なくとも１つの熱シールドを備える。熱シールドは、冷却管の軸方向に見て、面ＡまたはＢに端部がくる、熱シールドのほぼ全長にわたって延びる、１つ以上のスロットを備えている。さらに、スロット底部の領域の最大スロット幅はＤ／２を超えないのが好都合であり、ここで、Ｄは、冷却管の外径である。いくつかの例においてさらに詳細に提示される試験によって、本発明による構成部材は、製造と熱サイクルの両方から生じる機械的応力に適切に対応することが明らかになった。スロットは、好ましくは、面ＡまたはＢに対してほぼ垂直に延びている。スロットの深さは、さらに、好ましくは、ＡまたはＢと冷却管の最も近い表面との間の距離の１／２を超えている。スロットの深さｘにとってとりわけ望ましい範囲は、ｕ／２≦ｘ≦９ｕ／１０であるが、ここで、ｕは、垂直方向で測定した、面ＡまたはＢと冷却管の最も近い表面との間隔である。スロットは、しかし、冷却管と同じ距離、または、冷却管を包囲する延性層と同じ距離だけ延びている。この場合、熱シールドには、閉鎖貫通部はなく、開放貫通部が設けられている。通常、円形断面の冷却管が用いられるので、貫通部の断面も円形である。

ダイヤモンド鋸引き法またはワイヤ・カッティングといった、黒鉛材料に利用可能な切断方法の結果として、１０μｍの最小スロット幅が得られる。望ましい最大スロット幅はＤ／３である。スロット底部における応力ピークを回避するには、これが、ほぼ０．５×スロット幅の半径を有していることが好ましい。さらに、使用中、プラズマにさらされる面におけるスロットの領域には、わずかに侵食が生じるので、スロットの端部が面Ｂにくれば、さらに好ましい。さらに有利な変形態様は、単一スロットの変形であり、スロットは、冷却管の中心点に向いている。やはり、いくつかの例にさらに詳細に例示されるように、２または３つのスロットを利用すると、製造及び熱サイクル中に生じる応力が大幅に軽減される。特に、Ｅｘピッチ・ファイバが、面Ａに対してほぼ垂直な配向を施され、Ｅｘ−ＰＡＮファイバが、冷却管の軸に対して平行な配向を施され、ニードリングを施されたＥｘ−ＰＡＮファイバが、冷却管の軸に対して半径方向の配向を施される場合には、本発明に従って熱シールド用のＣＦＣとスロットを併用すると、とりわけ、有利な組み合わせ効果をもたらすことになる。経済的理由から、及び、高熱伝導率のため、冷却管に銅合金を利用するのが好ましい。さらに、構成部材の応力は、冷却管と熱シールドの間に極めて軟質の層（硬度が２００ＨＶより小）を挿入することによって、軽減することが可能である。

本発明については、例証のため、図１〜７及びいくつかの実施例に基づいて、下記において例示し、解説することにする。

（実施例１）
図１〜３による第一壁構成部材１は、下記のように製造された。
穴４のあいたモノブロックの形態をなす熱シールド２が、高強度のＥｘピッチ・ファイバが、熱伝導率が最高の方向に位置し、Ｅｘ−ＰＡＮファイバが、冷却管の軸に対して平行に位置し、ニードリングを施されたＥｘ−ＰＡＮファイバが、冷却管のに対して半径方向に位置する、繊維強化黒鉛ブロック（ＣＦＣ）から加工された。個々のモノブロックの寸法は、４０ｍｍ（Ｅｘピッチ）、３０ｍｍ（Ｅｘ−ＰＡＮ）、及び、２０ｍｍ（ニードリングを施されたＥｘ−ＰＡＮ）であった。穴４の直径は、１４ｍｍで、熱シールド２の対称中心９に配置された。後続の処理の前に、穴４の壁がレーザによって構造化され、その結果、ＣＦＣに多数の円錐形の孔が導入された。こうした孔は、一般に、深さが約０．５ｍｍで、表面の開口は０．２〜０．３ｍｍである。間隔は、穴の壁の表面が最大になるように選択された。プラズマのない方に向いた側の面６において、ワイヤ・カッティングによって、スロット幅が０．３ｍｍのスロット７が熱シールド２に導入された。このスロット７は、熱シールド２の対称軸内にあり、プラズマのない方に向いた表面６から、中心に位置する穴４の中に延びている。その後、鋳造工程によって、穴４には、例えば、チタンのような炭化物形成物の存在下において、無酸素銅が充填された。この鋳造工程は、熱シールド２に既に導入された幅０．３ｍｍのスロット７が、この鋳造工程中に、銅によって濡れないように実施された。鋳造工程が済むと、スロット７の側面が、処理状態と比べて、間隔が狭くなった。この事実が示すように、発生した応力は変形に変換されたことになる。これは、構成部材１の機能能力及び有益な特性がこの手法によって損なわれることなく、応力の軽減をもたらすということになる。確証状況におけるＣＦＣ／Ｃｕ界面の目視及び金属組織学的評価では、可能性のあるＣＦＣ／Ｃｕ複合材の剥離に関する兆候は全く示されなかった。

こうして得られた銅を充填した穴４は、その後、直径が１２．５ｍｍの穴が、従って、厚さ約０．５〜１．０ｍｍの銅層がＣＦＣ上に残るように、機械加工を施された。こうして得られた、スロット７を備える３つの熱シールド２は、直径が１２ｍｍのＣｕＣｒＺｒ合金から構成される冷却管３に滑り嵌めされ、金属被覆管に挿入された。被覆管の溶接後、被覆管は真空排気され、その後、吸気／抽気接続部品が、密封されて、真空気密状態になった。こうして被覆管に挿入された構成部材は、次に、５５０℃及び１０００バールでＨＩＰ工程を受けた。この工程中、ＣＦＣモノブロック２の穴４の中で、ＣｕＣｒＺｒ管３と銅層の間に、材料結合が生じた。さらに、ＣｕＣｒＺｒ材料の硬化も生じ、その結果、冷却管３において優れた機械的特性を得ることができた。接続工程後、こうして得られた第一壁構成部材１から被覆管が除去された。目視評価では、例えば、剥離といった欠陥に関する兆候は全く示されなかった。さらに、内管プローブで実施された超音波試験によって、完全な界面であることが明らかになった。

最後に、この第一壁構成部材１は、ＶＰＳプラントのプラズマにさらされた。構成部材１はこの場合、プラントに存在する冷却水システムに接続され、プラントに設置されたロボットの把持アームによって保持された。１０〜１５ＭＷ／ｍ²の範囲内の熱流が、流速、プラズマが作用する冷却剤及び表面５の温度上昇によって測定された。全体として、構成部材１は、約１００回にわたってプラズマに通す熱サイクルを受けた。通過中、構成部材１は、いずれの場合も、冷却水の温度がそれ以上上昇しなくなるまで、プラズマ内に保持された。この試験後、構成部材１は、破壊について試験を受けた。検査された熱シールド２のどれにも亀裂は検出できないことが分かったが、これは、本発明によらない構成部材では、これまで実現できなかった事実である。

（実施例２）
実施例１に従って、もう１つの構成部材１が製造された。その後の試験において、スロット付きの表面が、プラズマにさらされた。この試験では、実施例１と同様の結果が示されたが、相違点は、スロット７の領域に、わずかな侵食が生じたということである。

（実施例３）
図１〜３による第一壁構成部材１が、下記のように製造された。
穴４のあいたモノブロックの形態をなす熱シールド２が、やはり、高強度のＥｘピッチ・ファイバが、熱伝導率が最高の方向に位置し、Ｅｘ−ＰＡＮファイバが、冷却管の軸に対して平行に位置し、ニードリングを施されたＥｘ−ＰＡＮファイバが、冷却管のに対して半径方向に位置する、繊維強化黒鉛ブロック（ＣＦＣ）から加工された。個々のモノブロックの寸法は、実施例１の寸法と一致する。穴及びレーザ構造化の導入も、実施例１に記載のように行われた。プラズマのない方に向いた側の面６において、ワイヤ・カッティングによって、スロット幅が０．３ｍｍのスロット７が熱シールド２に導入された。このスロット７は、熱シールド２の対称軸上にあり、穴４を貫通した。その後、穴４は、実施例１と同様に、無酸素銅が充填されて、機械加工を施され、ハンダ付けによってＣｕＣｒＺｒ合金から構成される冷却管３に接続されたが、そのハンダ付け温度は、ＣｕＣｒＺｒの溶体化熱処理温度（９７０℃）の範囲内であった。ハンダ付け温度から４００℃未満までの冷却は、１Ｋ／ｓｅｃより大きい冷却速度で実施され、その結果、最適強度値は、その後に続く４７５℃／３ｈでの時効硬化中に確証することができた。こうして得られた複合材料も、実施例１による熱サイクルの後、全く亀裂を示さなかった。

（実施例３ａ）
図４〜６による第一壁構成部材１は、下記のように製造された。
穴４のあいたモノブロックの形態をなす熱シールド２が、やはり、高強度のＥｘピッチ・ファイバが、熱伝導率が最高の方向に位置し、Ｅｘ−ＰＡＮファイバが、冷却管の軸に対して平行に位置し、ニードリングを施されたＥｘ−ＰＡＮファイバが、冷却管のに対して半径方向に位置する、繊維強化黒鉛ブロック（ＣＦＣ）から加工された。個々のモノブロックの寸法は、実施例１の寸法と一致する。穴及びレーザ構造化の導入も、実施例１に記載のように行われた。プラズマのない方に向いた側の面６において、ワイヤ・カッティングによって、スロット幅が０．３ｍｍの２つのスロット７が熱シールド２に導入された。これらのスロット７は、熱シールド２の対称軸に対して鏡面対称をなすように位置している。スロット７は、それぞれ、０．８ｕの深さｘを有しているが、ｕは熱シールド表面５と冷却管３との間の最短間隔である。その後、穴４は、実施例１と同様に、無酸素銅が充填されて、機械加工を施され、実施例３の手順によるハンダ付けによって、ＣｕＣｒＺｒ合金から構成される冷却管３に材料結合された。こうして得られた複合材料も、実施例１による熱サイクルの後、全く亀裂を示さなかった。

（実施例４）
図７による第一壁構成部材１が、下記のように製造された。
実施例１に従って、モノブロックが製造された。プラズマのない方に向いた側の面６において、ワイヤ・カッティングによって、図７に例示のＶ字形状のスロット７が導入された。その後の製造ステップは、実施例１に記載のように行われた。こうして得られた複合材料も、実施例１による熱サイクルの後、全く亀裂を示さなかった。

スロットを備えた本発明による構成部材の斜視図である。 図１による構成部材の平面図である。 図１による構成部材の断面と、さらに、ＣＦＣ繊維の方向を示す図である。 本発明による２つのスロットを備えた構成部材の斜視図である。 図４による構成部材の平面図である。 図４による構成部材の断面と、さらに、ＣＦＣ繊維の方向を示す図である。 本発明によるＶ字形状のスロットを備えた構成部材の平面図である。

符号の説明

１ 第一壁構成部材
２ 熱シールド
３ 冷却管
４ 穴
５ 熱シールド表面
６ 熱シールドのプラズマのない方に向いた側
７ スロット
８ 層
９ 熱シールドの対称中心

Claims (16)

1. 核融合炉の第一壁構成部材（１）であって、黒鉛材料から構成される少なくとも１つの熱シールド（２）と、冷却材が貫流し、少なくとも部分的に前記熱シールド（２）と材料結合し、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋより大きい材料から構成され、外径Ｄを有する冷却管（３）とを備え、前記熱シールド（２）が、閉鎖または開放貫通部（４）、プラズマ側にある面Ａ（５）、この反対側に位置する面Ｂ（６）、長さｌ、及び、幅ｂを有し、かつ前記熱シールド（２）が、ほぼ前記長さｌにわたって延び、前記面Ａ（５）またはＢ（６）にその端部がくる少なくとも１つのスロット（７）を備えることを特徴とする第一壁構成部材（１）。
2. 前記スロット底部における最大スロット幅ｙがＤ／２であることを特徴とする請求項１に記載の第一壁構成部材（１）。
3. Ａ（５）またはＢ（６）に端部がくる前記スロット（７）が、前記それぞれの面Ａ（５）またはＢ（６）に対してほぼ垂直に延びることを特徴とする請求項１または２に記載の第一壁構成部材（１）。
4. 前記スロット（７）が深さｘを有し、ｕ／２≦ｘ≦ｕであり、ｕが、熱シールド表面（５、６）と冷却管（３）との最短間隔であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の第一壁構成部材（１）。
5. 前記スロット（７）が前記冷却管（３）と同じ距離だけ延びることを特徴とする請求項４に記載の第一壁構成部材（１）。
6. 前記スロット底部における前記スロット幅ｙが、１０μｍ＜ｙ＜Ｄ／３であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の第一壁構成部材（１）。
7. 前記スロット底部が半径を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の第一壁構成部材（１）。
8. 前記スロット（７）の端部が前記面Ｂ（６）にくることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の第一壁構成部材（１）。
9. 前記熱シールド（２）が１つのスロット（７）を備え、前記スロット（７）が前記冷却管（３）の中心点（９）の方向に配向されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の第一壁構成部材（１）。
10. 前記熱シールド（２）が２つのスロット（７）を備え、これらのスロットが、対称面に対して鏡面対称をなすように配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の第一壁構成部材（１）。
11. 前記熱シールド（２）が３つ以上のスロット（７）を備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の第一壁構成部材（１）。
12. 前記熱シールド（２）が繊維強化黒鉛から構成されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の第一壁構成部材（１）。
13. 最高の強度を有する繊維と前記スロット（７）の配向が高々２０°しか偏向していないことを特徴とする請求項１２に記載の第一壁構成部材（１）。
14. Ｅｘピッチ繊維が、前記面Ａに対してほぼ垂直な配向を施され、Ｅｘ−ＰＡＮ繊維が、前記冷却管の軸に対して平行な配向を施され、ニードリングを施されたＥｘ−ＰＡＮ繊維が、前記冷却管の軸に対して半径方向の配向を施されることを特徴とする請求項１２または１３に記載の第一壁構成部材（１）。
15. 前記冷却管（３）が銅合金から製造されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の第一壁構成部材（１）。
16. 硬度が２００ＨＶより小の純銅または銅合金から構成される層（８）が、前記冷却管（３）と前記熱シールド（２）との間に配置されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の第一壁構成部材（１）。

Images