JP2602973B2 - 高熱負荷機器 - Google Patents

高熱負荷機器

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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、核融合装置の第一壁やダイバータ、あるい
は高エネルギ粒子のビームターゲットなどの高熱負荷機
器の受熱板の構造に関する。
(従来の技術) 核融合装置において、プラズマに対向して設置される
第一壁やダイバータのプラズマ側の材料は、プラズマ粒
子のエネルギ放出に十分耐えるばかりでなく、プラズマ
の放射損失の原因となる不純物の発生が少ないものでな
ければならない。このため、これらの機器の受熱板は、
高融点の材料で作られた多数のアーマタイルを熱伝導の
良いヒートシンク基材に冶金的に接合して構成される。
このような構成の第1壁として、これまで、第2図に
示すようなものが提案されている。第2図は第一壁の縦
断面図であり、(1)はプラズマ粒子の飛来方向を示す
矢印、(2)は黒鉛製のアーマタイル、(3)は銅製の
ヒートシンク基板、(4)はアーマタイル(1)とヒー
トシンク基板(3)との接合面、(5)はヒートシンク
基板(3)に埋め込まれた冷却管である。プラズマ粒子
は矢印(1)の方向から飛来し、そのエネルギはアーマ
タイル(2)の受熱表面近傍で放出される。このように
して発生した熱は、ヒートシンク基板(3)を伝導し、
最終的には冷却管(5)内を流れる冷却媒体により系外
へ運ばれる。なお、接合面(4)は接合面端部の自由表
面とほぼ直交するよう構成されている。
このような接合構造において、接合面の端部近傍の応
力は接合面端部形状と接合される2種類の材料の材料定
数に大きく支配される。第3図に示すように、接合面端
部を原点とする局所極座標系(γ,θ)を与え、接合面
とアーマタイル側の接合端部自由表面とのなす角を
θ、接合面とヒートシンク基板側の接合端部の自由表
面とのなす角をθとすると、接合端部近傍の応力は一
般に次のように表わされる。
S=Aγ−λ+(γ) ここに、Sは応力、Aは定数、γは応力の特異性の強
さを与える固有値、(γ)は、γ→0の極限で有限と
なりγの関数である。固有値λは、アーマタイルとヒー
トシンク基板との材料定数の相違と、角度θ、θ
決まり、応力場の固有値解析を行うことにより得られ
る。前式において、λ>0であると、γ→0の極限で応
力Sは無限となる。すなわち、応力に特異性が生じる。
第4図は、固有値λと接合される2種類の材料の横弾
性係数比との関係を模式的に示したものである。第4図
中、実線で示される固有値分布は、θ=θ=90゜の
場合のものであり、破線で示される固有値分布は、接合
面に対して接合端部自由表面を傾斜させた場合のもので
ある。図から明らかなように、θ=θ=90゜の場合
は、接合される2種類の部材が同一の材料からなる場合
を除いて応力に特異性が生じる。これに対して、接合面
に対して接合端部自由表面を傾斜させた場合には、異種
材料の横弾性係数比がGよりも小さい領域で応力の特
異性が生じない。換言すれば、Gは傾斜角の関数であ
るから、異種材料の材料の組み合わせに対応して応力の
特異性が生じない傾斜角が存在する。しかし、第2図に
示した従来例の接合面構成では、θ=θ=90゜であ
り、アーマタイル(4)とヒートシンク基板(3)とは
異種材料で作られるから接合面端部での応力特異性が生
じ、接合時にも運転時にもき裂が発生し易くなる。一
方、プラズマが急激に消滅すると、アーマタイルには多
量の熱が瞬時に発生するが、この場合、接合面にき裂が
存在していると、接合面の熱衝撃破壊は急速に進行し、
接合面で大規模なはく離が生じる危険がある。このた
め、熱衝撃を受ける高熱負荷機器では、接合面のき裂の
発生を極力避ける必要があり、したがって接合面端部で
応力の特異性が生じない接合面の構成が必要である。
トカマク型の核融合装置であると、プラズマ粒子の飛
来方向は受熱表面に対して非常に浅い角度で入射する。
この場合、隣接するアーマタイル間の隙間が所定の値に
設定されていない場合には、アーマタイルの端面に熱が
集中し、アーマタイルが破損する危険がある。このた
め、第一壁では、隣接するアーマタイル間の隙間を所定
の値に保つことが重要である。しかし、第2図に示す従
来例では、アーマタイルとヒートシンク基材との接合に
際して、隣接するアーマタイル間にグラファイトシート
等のギャップを保持して接合されるが、それでも接合中
にアーマタイルの位置がずれてしまい、一様なアーマタ
イル間のギャップが容易に確保できないと言う問題があ
った。
(発明が解決しようとする課題) 接合面端部に応力の特異性が生じるような接合面の構
成であると、接合面端部にき裂が初生し易く、更に熱衝
撃が作用すると、接合面が一気に破損する危険がある。
また、隣接するアーマタイム間の隙間をアーマタイルの
熱膨張を吸収できる程度に最小に保ってアーマタイルを
配列し、高エネルギ粒子のエネルギ放出が集中しないよ
うにしてアーマタイルの破損を防止する必要がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、アーマ
タイルとヒートシンク基材との接合面の端部に応力の特
異性がなく、したがって、接合面近傍にき裂が初生しに
くく、かつ隣接するアーマタイル間の隙間が所定の値に
保たれる高信頼の高熱負荷機器を提供することを目的と
する。
〔発明の構成〕
(課題を解決するための手段) 上記目的を達成するため、本発明では、アーマタイル
とヒートシンク基材との接合面近傍の自由表面を前記2
種類の部材の材料の組み合わせで決まる接合面端部で応
力の特異性が生じない所定の角度分だけ接合面に対して
傾斜させて高熱負荷機器を構成する。また、アーマタイ
ルとヒートシンク基材とを接合して受熱ブロックを作
り、ヒートシンク基材の側面に凸部を設け、この凸部と
隣接する受熱ブロックの凸部を突き合わせることによっ
て隣接するアーマタイル間の隙間を管理して受熱ブロッ
クを冷却基板に冶金的に接合した構成とする。
(作用) アーマタイルとヒートシンク基材との接合面の端部に
おいて、接合端部近傍において接合面と自由表面とが作
る傾斜角をアーマタイルとヒートシンク基材の材料の組
み合わせで決まる応力の特異性が生じない所定の感度に
設定しているため、接合面の端部の応力は有限となる。
また、アーマタイルとヒートシンク基材とを接合して受
熱ブロックを作り、これを冷却基板に接合しているた
め、線膨張係数が異なる異種材料の接合による全体的な
反り変形を防止することができるばかりでなく、アーマ
タイルとヒートシンク基材との接合部の非破壊検査も確
実に行うことができる。更に、受熱ブロックのヒートシ
ンンク基材の側面に設けた凸部の先端を、隣接する受熱
ブロックのそれと突き合わせた場合、当該隣接受熱ブロ
ックのアーマタイル間の所定のギャップが得られるよう
に凸部の寸法が設定してあり、したがって、単に隣接す
る受熱ブロックの凸部を突き合わせるだけで隣接するア
ーマタイル間の所定のギャップを確保することができる
から、高エネルギ粒子のエネルギ放出が局所的に集中し
てアーマタイルが破損する危険性が防止される。
(実施例) 以下、本発明の一実施例について第1図を参照して説
明する。
(10)は黒鉛製のアーマタイル、(11)は銅合金製の
ヒートシンク材、(12)は冷却基板、(13)はアーマタ
イル(10)とヒートシンク基材(11)との接合面、(1
4)はアーマタイル(10)とヒートシンク基材(11)に
共通する傾斜自由表面、(15)はヒートシンク基材(1
1)に設けられた凸部、(16)はアーマタイル(10)と
ヒートシンク基材(11)とからなる受熱ブロック、(1
7)は受熱ブロックのヒートシンク基材(11)と冷却基
板(12)との接合面である。(18)は接合面と傾斜自由
表面(14)とのなす傾斜角であり、本実施例では120゜
に設定されている。なお、凸部(15)の幅寸法は、アー
マタイル(10)の熱膨張分だけアーマタイルの幅寸法よ
り大きくしてある。
本実施例において、矩形の黒鉛製のアーマタイルと矩
形の銅合金製のヒートシンク基材とを冶金的に接合し、
しかる後に前記矩形ブロックの4端面を機械加工し、所
定の傾斜を有する傾斜自由表面(14)と凸部(15)を形
成して受熱ブロックを作る。次に、この受熱ブロックを
冷却管(5)を埋め込んだ冷却基板(12)に冶金的に接
合する。
このような構成において、黒鉛と銅合金の材料の組み
合わせでは傾斜角(18)を120゜にすれば応力の特異性
が生じないため、接合面端部では応力が有限となり、き
裂は生じにくくなる。
また、受熱ブロック(16)の単体での接合面(13)の
非破壊検査が容易であるばかりでなく、受熱ブロックは
小さいため、アーマタイルとヒートシンク基材との接合
による反り変形も小さい。ヒートシンク基材(11)の冷
却基板(12)とは銅系統の同種の材料で作られているた
め、受熱ブロック(16)と冷却基板(12)の接合面(1
7)は特別な端部処理をしなくても、そこに応力の特異
性が生じることはないばかりでなく、凸部(15)は機械
加工によって仕上げられているため、隣接する受熱ブロ
ックの凸部を互いに突き合わせるだけで隣接するアーマ
タイル間の隙間を設定通りに設定することができる。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明において、アーマタイルと
ヒートシンク基材との接合面の端部近傍において、接合
面と自由表面とが作る傾斜角をアーマタイルとヒートシ
ンク基材の材料の組み合わせで決めた応力の特異性が生
じない所定の角度に設定しているため、接合面端部の応
力は有限となり、したがってき裂が初生しにくい。ま
た、アーマタイルと凸部を有するヒートシンク基材とを
接合して受熱ブロックを作り、隣接する受熱ブロックの
凸部同士を突き合わせながら受熱ブロックをヒートシン
ク基材と同種の材料でできた冷却基板に冶金的に接合し
たため、単純な作業で隣接したアーマタイル間の隙間を
所定の寸法に仕上げることができるばかりでなく、受熱
ブロックと冷却基板間の接合の信頼性も高めることがで
きる。したがって、高エネルギー粒子のエネルギ放出が
局所的に集中してアーマタイルが破損する危険性を防止
することができる。
このようにして、本発明によれば、高信頼の高熱負荷
機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例の高負荷機器の縦断面図、第2
図は従来の第一壁の縦断面図、第3図は接合面端部の詳
細を説明するための第2図におけるX部拡大断面拡大
図、第4図は接合面端部の応力の特異性の強さを示す固
有値分布の模式図である。 1……プラズマ粒子の飛来方向を示す矢印 2……アーマタイル、3……ヒートシンク基板 4……接合面、5……冷却管 10……黒鉛製のアーマタイル、11……銅合金製のヒート
シンク基板 12……冷却基板 13……アーマタイルとヒートシンク基材との接合面 14……傾斜自由表面、15……凸部 16……受熱ブロック 17……受熱ブロックと冷却基板との接合面 18……傾斜角

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アーマタイルとヒートシンク基材とを冶金
    的に接合してなる高熱負荷機器において、接合面端部近
    傍の自由表面を前記2種類の部材の材料の組み合わせで
    決まる接合面端部で応力の特異性が生じない所定の角度
    分だけ接合面に対して傾斜させて構成したことを特徴と
    する高熱負荷機器。
  2. 【請求項2】アーマタイルとヒートシンク基材とを接合
    して受熱ブロックを作り、次にこの受熱ブロックをヒー
    トシンク基材と同種の材料でできた冷却基板に冶金的に
    接合したことを特徴とする請求項(1)記載の高熱負荷
    機器。
  3. 【請求項3】前記受熱ブロックのヒートシンク基材の側
    面に凸部を設け、この凸部と隣接する受熱ブロックの凸
    部を突き合わせることによって隣接するアーマタイル間
    の隙間を確保することを特徴とする請求項(2)記載の
    高熱負荷機器。
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