JP2013137217A - 核融合炉ダイバータ曲率部加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 トカマク型核融合炉におけるダイバータの垂直ターゲットの曲率部分を均質に能率良く形成する加工方法を提供する。
【解決手段】 貫通孔に筒型の緩衝材を固定した複数の受熱タイル１１を、緩衝材にロウ材シートを介して冷却管を嵌入して形成したアーマ組立体中間製造体１０を、３枚以上の金属板を互いに摺動するように重ねて形成した当て板３１，３３を介して１対の曲げジグ２１，２３の間に配置し、曲げジグを押し付けることによりアーマ組立体中間製造体１０を所定の曲率まで曲げ加工し、その後加熱して受熱タイルと冷却管をロウ付けして、アーマ組立体２０を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、トカマク型核融合炉におけるダイバータの曲率部の加工方法に関する。

トカマク型核融合炉のダイバータには入射する荷電粒子の持つ運動エネルギーが熱として与えられるため、ダイバータは核融合炉内において最も高い熱負荷を受ける機器になる。したがって、ダイバータにはこのような高熱負荷に耐えて除熱を行う機能が要求される。ダイバータに要求される高熱負荷の除熱機能を満たすために、熱伝導のよい材料でダイバータの受熱機器を構成することが必要である。

また、ダイバータはイオン照射によるスパッタリングやプラズマディスラプションにおける熱衝撃から冷却構造を保護するために表面に受熱タイルを備える。
スパッタリングなどにより受熱タイルの表面から粒子が飛散してプラズマに混入するとプラズマ温度の低下や閉じ込め性能の低下を招くため、受熱タイルはプラズマへの悪影響が小さい材料で形成される。

長時間放電を行う核融合炉では、ダイバータを構成する部材自体の熱容量ではその表面温度が構成材料の融点を超えてしまうため、受熱タイルの内部に、伝熱性が高く強度の高いたとえばクロム・ジルコニウム銅（ＣｕＣｒＺｒ）など銅合金製の冷却配管が設置されていて、受熱タイルが受けた熱を冷却水により強制除熱するようになっている。
受熱タイルと銅合金製の冷却配管の間には膨張率の差を吸収するため銅材製の緩衝材を介装し、相互間を、主としてＣｕ−Ｍｇ系やＴｉ−Ｃｕ系の熱伝導のよい接合材を用いたロウ付け接合などを用いて強固に接合する。

図７は、一例として示す、国際燃核融合実験炉（ＩＴＥＲ）において予定されているダイバータの斜視図である。
ＩＴＥＲにおけるダイバータは、受熱タイル、冷却管、ヒートシンク、支持板が組み合わされた接合体となっている。受熱タイルは損耗するので、ダイバータを適当な大きさに分割したダイバータカセットを、円環状のトカマク真空容器の底に配置してダイバータ部を形成する。
ダイバータカセットは、メンテナンスを容易にするため、カセットボディに、垂直ターゲット、ドームなどの高熱負荷受熱機器を取り付けて、必要に応じて交換できるようにしたものである。

なお、ＩＴＥＲのダイバータでは、入射する熱負荷が高い下部と入射する熱負荷が低い上部で材質が異なる受熱タイルを用いた垂直ターゲットが採用されている。
垂直ターゲット下部においては、入射する熱負荷が高いため、プラズマに混入したときに影響が小さい低原子番号材料を主成分とし、高い熱伝導率を有する炭素繊維複合材（ＣＦＣ材）を受熱タイルとしたＣＦＣアーマ部が形成される。ＣＦＣ材は、スパッタリング損耗率が金属材料に比べて高く、トリチウムリテンションが大きいが、運転初期のディスラプションにも、溶融・流出による大きな減肉が発生しないため、アーマ材として適している。

一方、垂直ターゲット上部は入射する熱負荷が低いため、ＣＦＣ材と比べて熱伝導率が低いものの、トリチウムリテンションの低減性能やスパッタリング損耗に対する耐久性において有利なタングステンやモリブデンを受熱タイルとして使用する。ＩＴＥＲでは、タングステン製のタングステンアーマが採用されている。
垂直ターゲット下部は、ほぼ平らな平面にするが、垂直ターゲット上部は、トカマク内の磁力線に対応して、曲面にしている。
ダイバータカセットのアーマ部は、冷却管に沿って受熱タイルを密に並べて冷却管を貫通した形をしたアーマ組立体を所定数だけ、背板の支持板上に平行に密に並べて、適当な間隔の受熱タイルに設けた支持脚により背板に固定することにより形成される。

垂直ターゲット下部を構成するＣＦＣアーマ部はほぼ平面になっているので、アーマ組立体におけるＣＦＣ受熱タイルの部分は曲率部を必要とせず、直管状の冷却管に受熱タイルを多数重ねて嵌め込むことで形成することができる。
ただ、炭素材と銅合金は接合性が悪いので、プラズマからの受熱を効率よく冷却管に伝えるため、ＣＦＣアーマ部の受熱タイルを冷却管に冶金的に接合するようにすることが好ましい。なお、垂直ターゲット上部の受熱タイルは金属製なので、緩衝材との間の接着性に大きな障害はない。

特許文献１には、垂直ターゲット下部を構成するＣＦＣアーマ部を形成するアーマ組立体において、炭素繊維強化炭素複合材料（ＣＦＣ）でできた炭素材ブロックと、析出硬化型銅合金（ＣｕＣｒＺｒ）などでできた銅合金製冷却管とを、良好に接合する高熱負荷機器製造方法が開示されている。
文献に開示された高熱負荷機器製造方法は、炭素材の表面にチタンカーバイドでなるチタン薄膜層を形成し、チタン薄膜層と銅合金材とを、無酸素銅などで形成した緩衝材を介して対向するように配置し、炭素材と緩衝材の間および緩衝材と銅合金材の間に銅を含む薄膜状のロウ材を介挿して組み上げた組立体を、真空ロウ付けし、時効処理して、冶金的接合により高熱負荷機器を製造するものである。
垂直ターゲットは、垂直ターゲット下部と垂直ターゲット上部を１本の冷却管で貫いてＣＦＣとタングステンそれぞれのモノブロックを積み重ねて連続体として形成されたアーマ組立体を並列に並べて固定することにより構成される。

従来のアーマ組立体加工方法によると、受熱タイルになるタングステンモノブロックと円筒状の緩衝材を熱間等方加圧加工（ＨＩＰ）により接合して、受熱タイルを形成する。さらに、一部の受熱タイルの下面に緩衝材を介して支持脚になるステンレス製のブロックをＨＩＰ接合して支持脚を形成し、背板の支持板に設けられた固定ジグを挿入する取付溝と、固定ピンを挿入する取付穴を加工する。

析出硬化型銅合金製の冷却管に、ＣＦＣ製受熱タイルとタングステン製受熱タイルを順次挿入してアーマ組立体中間製造体とする。このとき、受熱タイルと冷却管の間にロウ材シートを挿入しておく。
アーマ組立体中間製造体は、タングステン受熱タイルで構成された垂直ターゲット上部の部分を繰り返し少しずつ曲げ加工して、所定の曲率を持つように形成した後に、全体を加熱して受熱タイルと冷却管をロウ付けすることにより、アーマ組立体を形成する。

このように、アーマ組立体は、直線部のＣＦＣアーマ部と曲率を有するタングステンアーマ部が１本の冷却管で直列に連なった形態を持ち、適当数のアーマ組立体を並列に並べて固定することにより、垂直ターゲットが形成される。

特開２０１１−１２２８８３号公報

しかし、アーマ組立体中間製造体を手作業で曲げる場合は、熟練作業者が大きな労力を掛けて製造する必要があり、極めて作業性が悪い上、多数の製品を同じ形状になるように管理することが難しい。また、曲げジグを使って、中間製造体を曲げジグに挟んで油圧機などで押圧して形成する場合は、手作業より能率が高いが、曲げジグが当たった受熱タイル表面に傷が生じて、熱負荷集中や不純物放出の原因となったり、曲げジグに当たった部分が拘束されて、形成されたアーマ組立体の受熱タイル間隔が不均等になり遮熱効果に偏りが生じたりして、好ましくない。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、核融合炉ダイバータの垂直ターゲットの曲率部分において、受熱タイルを均等に配置すると共に受熱タイルの表面を傷つけることなく大量に能率よく形成することができる、核融合炉ダイバータ曲率部加工方法を提供することである。

本発明の核融合炉ダイバータ曲率部加工方法は、貫通孔に筒型の緩衝材を固定した複数の受熱タイルを準備し、受熱タイルの緩衝材にロウ材シートを介して冷却管を嵌入して形成したアーマ組立体中間製造体を、３枚以上の金属板を互いに摺動するように重ねて形成した当て板を介して１対の曲げジグの間に配置し、曲げジグを押し付けることによりアーマ組立体中間製造体を所定の曲率まで曲げ加工し、その後加熱することにより受熱タイルと冷却管をロウ付けして、ダイバータの垂直ターゲット表面に配するアーマ組立体を形成することを特徴とする。

受熱タイルは、高Ｚ材料のタングステンまたはモリブデンを含む金属、合金等でなり、冷却管は、熱伝達係数が大きくかつ強度の大きいクロム・ジルコニウム銅（ＣｕＣｒＺｒ）などの銅合金で形成されることが好ましい。
また、曲げジグはジャッキやプレス機で駆動することができる。

本発明の方法によれば、曲げジグを使った加工時に曲げジグとアーマ組立体中間製造体の間に３枚以上の金属板でなる当て板が介在するため、曲げジグ表面に密着する金属板とアーマ組立体中間製造体の受熱タイル表面に密着する金属板とが真ん中の金属板を１枚以上挟んで摺動する。したがって、アーマ組立体中間製造体の軸方向の動きが曲げジグにより拘束されず、曲げジグの端部の突起に対応するアーマ組立体中間製造体表面の位置も、曲げ加工の曲率が変化するにつれて容易に移動することができ、均等な曲率で形成することができる。

このため、アーマ組立体中間製造体における受熱タイルの間隔はアーマ組立体中間製造体の湾曲につれて変化して、完成後のアーマ部の曲率部における受熱タイルが均等間隔に配置するようになる。また、曲げジグが受熱タイルの表面に直接当たらないので受熱タイル表面に傷が付きにくく、核融合炉の運転中における損傷の危険性を低減させる。

また、アーマ組立体の曲がりを曲げジグを用いて形成するため、形状の再現性が向上し、精度の高い製品を容易に製造することができる。また、油圧ジャッキなどを用いれば、さらに容易に高速で製造することができる。
ダイバータ部におけるアーマ組立体は、たとえばＩＴＥＲでは１３００本程度予定されているが、本発明の方法により同一形状の製品を大量に能率良く供給することができる。

本願発明の核融合炉ダイバータ曲率部加工方法により、垂直ターゲットの曲率部を受熱タイルの表面に傷が生じないようにしながら高い再現性を持って能率よく形成することができる。また、本願発明の核融合炉ダイバータ曲率部加工方法は、ダイバータのドームの曲率部分を形成するときにも適用することができる。

本発明の１実施例に係る核融合炉ダイバータ曲率部加工方法において、アーマ組立体中間製造体を曲げジグにセットした状態を表す概念図である。 本実施例の核融合炉ダイバータ曲率部加工方法において、アーマ組立体中間製造体を曲げジグで押圧した状態を表す概念図である。 本実施例の核融合炉ダイバータ曲率部加工方法においてアーマ組立体中間製造体を曲げジグで押圧した状態における一部拡大正面断面図である。 本実施例の核融合炉ダイバータ曲率部加工方法においてアーマ組立体中間製造体を曲げジグで押圧した状態における一部拡大側面断面図である。 本実施例を適用したアーマ組立体の製造手順の１例を説明する工程図である。 本実施例の核融合炉ダイバータ曲率部加工方法により曲率を与えられたアーマ組立体を表す側面図である。 本発明を適用する核融合炉ダイバータの垂直ターゲットを表す斜視図である。

以下、実施例を用いて本発明の核融合炉ダイバータ曲率部加工方法について詳細に説明する。本実施例は、トカマク型核融合炉におけるダイバータの垂直ターゲット上部の曲率部分を構成するアーマ部を形成する方法である。

図１から図６は、本実施例の核融合炉ダイバータ曲率部加工方法を説明する図面で、図１はアーマ組立体中間製造体を曲げジグにセットした状態を表し、図２はアーマ組立体中間製造体を曲げジグで押圧した状態を表し、図３はアーマ組立体中間製造体を曲げジグで押圧した状態における正面断面を表し、図４はその側面断面を表す。図５は、本実施例による核融合炉ダイバータ曲率部加工方法の手順を説明する工程図である。また、図６はアーマ組立体の側面図である。

本実施例の核融合炉ダイバータ曲率部加工方法は、図に示すとおり、貫通孔に筒型の緩衝材１７を固定した受熱タイル１１の緩衝材１７に冷却管１５を嵌入して形成したアーマ組立体中間製造体１０を、曲げジグ２１，２３を利用したプレスにより所定の曲率を与えて成形するものである。
本実施例の方法は、図１に示すように、アーマ組立体中間製造体１０を３枚以上の金属板を互いに摺動するように重ねて形成した当て板３１，３３を介して１対の曲げジグ２１，２３の間に配置して、図２に示すように、曲げジグ２１，２３を押し付けて曲面加工するところに特徴を有する。

図３と図４は、アーマ組立体中間製造体１０が、曲げジグ２１，２３に挟まれて、曲げジグ２３で押圧され円弧状に固められる状態を示す。曲げジグ２３はジグ把持台２５に固定され、ジグ把持台２５は図示しない油圧ジャッキのピストンに繋がるステム２７により、固定された曲げジグ２１に向けて往復駆動される。油圧ジャッキを用いれば、作業員の操作に従って、適当に抑制された速度で曲げジグ２３を駆動することができる。

アーマ組立体１０の曲率が大きいときは、一度に目標の曲率まで曲げるのではなく、曲率が徐々に大きくなる曲げジグに取り替えては少しずつ曲げていって、仕上げ加工で目標の曲率になるようにすることが好ましい。
段階的に曲げ量を増加させる場合は、仕上げに使う曲げジグ２１，２３の凹面と凸面が、アーマ組立体中間製造体１０に必要な曲率を有するように形成されている。

当て板３１，３３は、ステンレス薄板を３枚以上重ねたものである。
曲げジグ２１と受熱タイル１１の間に当て板３１が介在するため、受熱タイル１１の表面が曲げジグ２１の端部の突起などで傷つくことが無い。
また、曲げジグ２１と２３の間にアーマ組立体中間製造体１０を挟んで押圧するときには、受熱タイル１１の表面の中央位置から当て板３１に接し始めて、最後に受熱タイル１１の表面全体が当て板３１に押し付けられる。
所定以上の押圧力が掛かると受熱タイル１１の位置が当て板３１の表面により固定されて、隣接する受熱タイル１１同士の間隔が開ききらない状態で固定される。

しかし、本実施例の方法では、当て板３１，３３を形成する３枚の薄板は相互に摺動するため、アーマ組立体中間製造体１０を曲げ加工する間に当て板３１，３３が円弧をなして歪むときにも薄板同士がずれるので、受熱タイル１１表面が接する表面の伸長量あるいは圧縮量は１枚板の場合と比較して小さい。したがって、曲げジグ２１，２３をアーマ組立体中間製造体１０に押し付けて曲率を大きくするときにも、隣接する受熱タイル１１同士の間隔が大きく変化しないので、曲率部における受熱タイル１１の間隔がほぼ均等なアーマ組立体２０を得ることができる。

なお、冷却管１５に串差しにされた受熱タイル１１のうち、適当な間隔で選ばれたものの裏面に支持脚１３が設けられているため、裏側に当接する当て板３３には支持脚１３を通す孔が設けられている。また、曲げジグ２３にも、支持脚１３を避ける凹みが設けられている。

次に、本実施例におけるアーマ組立体の製造手順を説明する。
図５は、アーマ組立体のうち、高Ｚ金属のタングステン受熱タイルを用いた垂直ターゲット上部の曲率部を形成する製造工程について例示して説明したものである。なお、垂直ターゲット上部の受熱タイルは金属製なので緩衝材との間の接着性に大きな障害はなく、アーマ組立体中間製造体を準備する工程はＣＦＣアーマ部より単純化することができる。

本実施例におけるアーマ組立体製造方法は、図５に示したように、始めに、受熱タイル１１の本体になるタングステン製の受熱タイル用モノブロック１２と円筒状の緩衝材１７を準備する。受熱タイル用モノブロック１２には冷却管貫通孔４１が開削されている。冷却管貫通孔４１の内部にニッケルメッキを施して緩衝材１７を挿入し、熱間等方加圧加工法（ＨＩＰ）により接合し、受熱タイル１１を形成する。

さらに、支持脚１３になるステンレス製の支持脚用ブロック１４と平板状の緩衝材１８を準備して、一部の受熱タイル１１に対して、受熱タイル１１の下面に緩衝材１８を介して支持脚用ブロック１４を当ててＨＩＰ接合し、支持脚１３を形成する。受熱タイル１１に固定された支持脚１３に背板の固定ジグを挿入する取付溝４３と固定ピンを挿入する取付穴４５を加工する。
取付溝４３や取付穴４５は、受熱タイル１１に固定する前の支持脚用ブロック１４に予め加工しておいても良い。

析出硬化型銅合金などでできた銅合金製冷却管１５に、所定の位置に支持脚１３が来るように受熱タイル１１を重ねて挿入してアーマ組立体中間製造体１０とする。このとき、受熱タイル１１の緩衝材１７と冷却管１５の間にロウ材シート１９を挿入しておく。
ロウ材シート１９は、ニッケル、銅、マンガンを含んでなるもので、５０μｍ程度の厚さのシートから冷却管貫通孔４１の長さに合わせた幅で切り出して使用する。

アーマ組立体中間製造体１０は、上記説明のダイバータ曲率部加工方法を用いて、少しずつ繰り返し曲げ加工して、所定の曲率を持つように形成した後に、加熱してロウ付け固定することにより、アーマ組立体２０を形成する。
なお、曲げ加工する前に、アーマ組立体中間製造体１０の受熱タイル１１と冷却管１５をロウ付けにより固定しておいても良い。

図６は、本実施例の核融合炉ダイバータ曲率部加工方法により曲率を与えられたアーマ組立体２０を表す側面図である。
アーマ組立体２０は、特許文献１の方法で形成される直線部のＣＦＣアーマ部と、図５の方法で形成される曲率を有するタングステンアーマ部が、１本の冷却管で直列に連なった形態を持つ。
所定数のアーマ組立体２０を並列に並べて背板に固定することにより、図７に示したような垂直ターゲットが形成される。
また、ＣＦＣアーマ部も曲率を有する場合は、本実施例のダイバータ曲率部加工方法を利用して曲げ加工することができる。さらに、ドームにおける曲率部の加工に利用することもできる。

本実施例の核融合炉ダイバータ曲率部加工方法を用いることにより、設計通りの正確な曲率を有し受熱タイルの間隔が均等で、タイル表面に傷がなく保護性能の高いアーマ組立体を量産することができる。本実施例の方法で製造したアーマ組立体を使うことにより、トカマク型核融合炉に適用する高品質な垂直ターゲットやドームを製作することができる。

本発明の核融合炉ダイバータ曲率部加工方法は、高性能なトカマク型核融合炉に必要な高性能の垂直ターゲットやドームを大量に製造するために用いることができる。

１０ アーマ組立体中間製造体
１１ 受熱タイル
１２ 受熱タイル用モノブロック
１３ 支持脚
１４ 支持脚用ブロック
１５ 冷却管
１７ 緩衝材
１８ 緩衝材
１９ ロウ材シート
２０ アーマ組立体
２１，２３ 曲げジグ
２５ ジグ把持台
２７ ステム
３１，３３ 当て板
４１ 冷却管貫通孔
４３ 取付溝
４５ 取付穴

Claims (3)

1. 貫通孔に筒型の緩衝材を固定した複数の受熱タイルを準備し、該緩衝材にロウ材シートを介して冷却管を嵌入して形成したアーマ組立体中間製造体を、３枚以上の金属板を互いに摺動するように重ねて形成した当て板を介して１対の曲げジグの間に配置し、該曲げジグを押し付けることにより前記アーマ組立体中間製造体を所定の曲率まで曲げ加工し、その後加熱することにより受熱タイルと冷却管をロウ付けして、ダイバータの垂直ターゲット表面に配するアーマ組立体を形成する核融合炉ダイバータ曲率部加工方法。
2. 前記受熱タイルがタングステン材料からなり、前記冷却管がＣｕＣｒＺｒ（銅合金）で形成されることを特徴とする請求項１記載の核融合炉ダイバータ曲率部加工方法。
3. 前記曲げジグはジャッキまたはプレス機により駆動されることを特徴とする請求項１または２記載の核融合炉ダイバータ曲率部加工方法。

Images