JP5717779B2 - モノブロック冷却装置構成要素 - Google Patents
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Description
本発明は、タングステン、タングステン合金、グラファイト材料又はカーバイド材料からなる少なくとも１つの熱遮蔽を含み、冷却材を収容するための貫通孔を備えた冷却装置構成要素に関する。
例えば１０ＭＷ／ｍ2超の極めて大きい負荷に曝される、ダイバータ及びリミッタ等の核融合炉用の第一壁構成要素が、この種冷却装置構成要素の典型的な利用例である。プラズマに曝される領域は熱遮蔽、プラズマに曝される構成要素はＰＦＣ（プラズマ対面構成要素）そしてプラズマに曝される材料はＰＦＭ（プラズマ対面材料）と各々呼ばれる。ＰＦＭは、プラズマ適合性を持ち、物理的及び化学的スパッタリングに耐え、融点と昇華点が高く、かつ熱衝撃に耐えねばならない。加えてＰＦＭは、高い入手可能性及び容認し得るコストと相俟って、熱伝導率が高く、中性子放射化が低レベルで、十分な強度と破壊靭性を備えねばならない。タングステン、タングステン合金（例えばＷ−１重量％Ｌａ2Ｏ3）、グラファイト材料（例えば繊維強化グラファイト）及びカーバイド材料（例えば炭化硼素）が、この多面的な、場合により相反する性質の要件を最もよく満たす。エネルギ流が、長時間期間にわたりこれら構成要素に作用するので、この種の冷却装置構成要素は、一般に、能動的に冷却される。放熱は、通常ＰＦＭに接続された、例えば銅又は銅合金製の放熱体で促進される。
冷却装置構成要素は、様々な設計が可能である。これに関し、平面タイル、鞍形及びモノブロック設計の間の相違点を指摘することにする。
平面状の接合面を備えたＰＦＭタイルを冷却材が流れる放熱器に接合した場合、これは、平面タイル設計と呼ばれる。鞍形設計の場合、半円形凹部を備えたＰＦＭ本体を、管状放熱器に接合する。この場合、放熱器は、熱導入側と冷媒の間に熱接触を生じさせる機能を持ち、接合相手側の温度勾配及び異なる膨張係数から生じる、繰返し熱誘導負荷に曝される。
モノブロック設計の場合、冷却水を送るパイプを、閉じた貫通孔を備えるＰＦＭ熱遮蔽により包囲する。鞍形及び平面タイル設計の場合、個々の熱遮蔽構成要素は、使用時、繰返し熱機械的負荷のため、放熱器から外れる可能性があるが、モノブロック設計では、幾何学的理由により、熱遮蔽構成要素の損失を排除できる。しかし、モノブロック設計の欠点は、ＰＦＭが、熱誘導負荷だけでなく、付加的な機械的負荷にも対応せねばならない点である。この種類の付加的な機械的負荷は、構成要素に流入し、周りの磁界と相互作用する電磁誘導電流によって生じる可能性がある。これに伴い、関与する構造によって伝達せねばならない高周波数の加速力が生じる可能性がある。平面タイル及び鞍形設計の場合、これらの力を構造材料を介して伝達するが、モノブロック設計の場合はＰＦＭにより伝達する。しかし、タングステン、タングステン合金、グラファイト及びカーボン材料は、破壊靭性が低い。繊維強化グラファイトの場合のもう１つの要因は、比較的弱い強度である。更に、使用中に、中性子脆性が生じ、その結果、これら材料は初期クラッキングを一層生じ易くなる。第一壁構成要素の分野での長年にわたるコストのかかる開発研究にも拘わらず、現在利用可能な部品は、こうした性質の要求を最適に満たし得ない。この理由の１つは、核融合技術の大規模な産業的実施が差し迫っているとはとても言えないためである。
従って本発明の目的は、物理的応力と機械的応力の両方から生じる要求を適切に満たすモノブロック設計の冷却装置構成要素（貫通孔を備えたＰＦＭ熱遮蔽）を提供することにある。
この目的は、核融合炉の冷却装置構成要素であって、該構成要素が、
タングステン、タングステン合金、グラファイト材料又はカーバイド材料からなり、その中を貫通する貫通孔（５）を備えた少なくとも１つの熱遮蔽（２）と、
室温において３００ＭＰａ超の引張り強さと０．０４Ωｍｍ2ｍ-1超の電気抵抗率とを有する材料からなる、前記熱遮蔽を支持素子に連結し又は結合するための少なくとも１つの構造部品（３）と、
冷却材を送るための、前記貫通孔（５）内に設置された少なくとも１つの冷却パイプ（４）とを備え、
前記熱遮蔽（２）と構造部品（３）とが、熱遮蔽の外面において、互いにはんだ付け又は溶接されており、且つ、前記構造部品（３）が、１つ以上のフィンを用いたボルト連結によって又は構造部品（３）と支持素子（１１）との間における相対運動を可能にするスライド式の機械的連結によって、支持素子（１１）に接続されたことを特徴とする冷却装置構成要素、により達成される。
タングステン、タングステン合金、グラファイト材料又はカーバイド材料からなり、その中を貫通する貫通孔（５）を備えた少なくとも１つの熱遮蔽（２）と、
室温において３００ＭＰａ超の引張り強さと０．０４Ωｍｍ2ｍ-1超の電気抵抗率とを有する材料からなる、前記熱遮蔽を支持素子に連結し又は結合するための少なくとも１つの構造部品（３）と、
冷却材を送るための、前記貫通孔（５）内に設置された少なくとも１つの冷却パイプ（４）とを備え、
前記熱遮蔽（２）と構造部品（３）とが、熱遮蔽の外面において、互いにはんだ付け又は溶接されており、且つ、前記構造部品（３）が、１つ以上のフィンを用いたボルト連結によって又は構造部品（３）と支持素子（１１）との間における相対運動を可能にするスライド式の機械的連結によって、支持素子（１１）に接続されたことを特徴とする冷却装置構成要素、により達成される。
本発明による冷却装置構成要素は、本明細書で提示する、多面的で、場合により相反する性質の要件を満たし、従って長年にわたる問題に対する簡単な解決法を提供するのが理想的である。構造部品の引張り強さが３００ＭＰａ超で、電気抵抗率が０．０４Ωｍｍ2ｍ-1超の場合、脆性ＰＦＭの初期クラッキングと熱遮蔽の損失の両方を回避可能なことが解った。熱遮蔽は、例えば連続孔の形態をなし、閉じた貫通孔を備えると望ましい。熱遮蔽にとり望ましい材料は、ＣＦＣ（炭素繊維強化グラファイト）、純タングステン及びＷ−１重量％Ｌａ2Ｏ3である。更に、投影長さがｌで、投影幅がｂの熱遮蔽の場合、熱遮蔽と構造部品との間の投影接合面積は、０．３×（ｌ×ｂ）超になる。これに関して、投影長さ、投影幅及び投影面積という用語は、平面に対する垂直投影を意味する。形状が平面的又は直線的な線や領域の場合、実際の長さ、幅及び面積は、投影長さ、投影幅及び投影面積に対応する。湾曲した線や領域の場合、投影線や領域は、相応して縮小する。極めて高いレベルの負荷に曝される構成要素の場合、長時間期間にわたり応力下にある構成要素の信頼性を確保するには、０．８×（ｌ×ｂ）超の投影接合面積が有利である。
更に、構造部品の比透磁率は１．２未満であるとよいことを確認した。これに関連し、構造部品に特に適した材料は、上述の物理的特性を持つＦｅ基、Ｔｉ基及びＮｉ基の材料である。これら材料は、特にオーステナイト系、フェライト系、フェライト−マルテンサイト系鋼及びＯＤＳ（酸化物分散強化型）材料である。
複合材料における応力を軽減すべく、熱遮蔽と構造部品間に、厚さが０．０１〜５ｍｍで、硬さが３００ＨＶ未満の延性材料からなる中間層を挿入するとよい。その場合、中間層が応力除去用の切欠きを備えると特に好ましい。中間層は、銅や銅合金から構成すると好都合である。例えばレーザを用いた、好適には熱遮蔽側に対する接合部分の構造化も、クラッキングの危険を低下させる。更に好ましい実施の形態は、接合部分からの距離が増すに伴い断面が狭くなる構造部分、接合部分の平面設計及び接合部分と構造部分のエッジ領域に対する面取り箇所又は丸みのある箇所の導入を含む。
熱遮蔽と構造部分との接合は、例えばハンダ付けするか、鋳造によって両方の接合相手を同時に一緒に裏当てするか或いは、例えば鋳造によって銅又はアルミニウムの厚い延性層で熱遮蔽に裏当てし、その後引き続き、ハンダ付け、電子ビーム溶接或いは、例えば拡散溶接による接合プロセスを行うことで実施できる。特定の実施形態では、熱遮蔽に対する冷却パイプの接合を、構造部分への接合プロセスの前又は後に実施できる。この結果、下記の生産変型が生じるが、可能性のある選択肢は、示した例に制限されない。
変型１・熱遮蔽の貫通孔と側面の延性材料による裏当て鋳造。
選択した延性材料に応じ、この作業は、１つの工程又は２つの独立した工程で行うことができる。これに続いて、上述の構成要素に対するパイプの接合を実施する。延性材料を設けた熱遮蔽の側面を、例えばハンダ付け、ＥＢ溶接又はＨＩＰ（熱間等静圧圧縮成形）にて、構造部品に接合する。
選択した延性材料に応じ、この作業は、１つの工程又は２つの独立した工程で行うことができる。これに続いて、上述の構成要素に対するパイプの接合を実施する。延性材料を設けた熱遮蔽の側面を、例えばハンダ付け、ＥＢ溶接又はＨＩＰ（熱間等静圧圧縮成形）にて、構造部品に接合する。
変型２・構造部品の側の熱遮蔽の貫通孔及び表面の、延性材料による裏当て鋳造。
選択した延性材料に応じ、これは、１つのプロセス工程又は２つの独立したプロセス工程で行える。これに続き、こうして生産した構成要素を、延性層を介して構造部品に例えばハンダ付け、ＥＢ溶接又はＨＩＰで接合する。工程１と工程２を１つのプロセス工程に組み合わせてもよい。この場合、構造部品は、延性材料より高融点でなければならない。その後、冷却パイプを、上述の構成要素に接合する。
選択した延性材料に応じ、これは、１つのプロセス工程又は２つの独立したプロセス工程で行える。これに続き、こうして生産した構成要素を、延性層を介して構造部品に例えばハンダ付け、ＥＢ溶接又はＨＩＰで接合する。工程１と工程２を１つのプロセス工程に組み合わせてもよい。この場合、構造部品は、延性材料より高融点でなければならない。その後、冷却パイプを、上述の構成要素に接合する。
次に、構造部品を、例えば鋼製の支持素子に機械的に連結する。機械的連結は、１つ以上のフィンを用い、強固なボルト連結により実施できる。使用中に生じる熱膨張差が大きい場合、構造部品と支持素子との間における相対運動を可能にする、スライド式の機械的連結も有利である。
以下、図及び生産例に基づき、本発明を更に詳細に説明する。
図１の冷却装置構成要素１は、延性中間層７を介して冷却パイプ４に接合した熱遮蔽２を含む。長さが１で幅がｂの熱遮蔽の接合部分６を、構造部品３に接合する。その投影接合面積は、１×ｂになる。図２は、延性中間層１３を用いて熱遮蔽２を構造部品３に接合した冷却装置構成要素１を示す。図３の場合、中間層１３は応力除去切欠き８を備えている。図４は、構造部品３の断面が狭い冷却装置構成要素１を示す。接合部６のエッジ領域に、図５の場合は円弧部分９を、図６の場合は面取り部分を設けている。円弧及び面取り部分は、上向き又は下向きになし得る。図７は、支持素子１１を接合した冷却装置構成要素１を示す。図８の場合、支持素子１１を、ボルト連結部１２で構造部品３に機械的に連結している。
図１の冷却装置構成要素１は、延性中間層７を介して冷却パイプ４に接合した熱遮蔽２を含む。長さが１で幅がｂの熱遮蔽の接合部分６を、構造部品３に接合する。その投影接合面積は、１×ｂになる。図２は、延性中間層１３を用いて熱遮蔽２を構造部品３に接合した冷却装置構成要素１を示す。図３の場合、中間層１３は応力除去切欠き８を備えている。図４は、構造部品３の断面が狭い冷却装置構成要素１を示す。接合部６のエッジ領域に、図５の場合は円弧部分９を、図６の場合は面取り部分を設けている。円弧及び面取り部分は、上向き又は下向きになし得る。図７は、支持素子１１を接合した冷却装置構成要素１を示す。図８の場合、支持素子１１を、ボルト連結部１２で構造部品３に機械的に連結している。
例１
炭素繊維強化グラファイト（ＣＦＧ）で作った熱遮蔽を備えるモノブロック設計の冷却装置構成要素を、次のようにして生産した。
２８ｍｍ（ピッチ方向）、２５ｍｍ（ＰＡＮ方向）及び２０ｍｍ（繊維方向）の寸法を持つ３つのＣＦＧブロックに、直径１４ｍｍの貫通孔を設けた。次に、孔の内部と寸法が２５×２０ｍｍ2の１つのブロック側面を、レーザ手段により構造化した。後続工程で、ＯＦＨＣ銅を、鋳造プロセスにより構造化した孔内及び／又は構造化ブロック表面上に取り付け、濡れを確保すべく連結部にチタンを用いた。その後、ブロック表面上と内のＯＦＨＣ銅を、０．５〜１ｍｍの厚さ迄切削した。その後、何れの場合にも、直径約１２ｍｍの銅−クロム−ジルコニウム合金製のパイプを孔に挿入した。何れの場合にも、全側面に厚さ５μｍのニッケルメッキを施した、寸法が２５×２０×３０ｍｍ3の鋼の立方体を、ＯＦＨＣ銅層を設けたブロック側面に配置した。こうして得た組立体を、次に鋼缶内に入れた。鋼缶を、溶接し、真空排気し、５５０℃及び１０００×１０5ＰａでＨＩＰプロセスを施した。缶の除去後、冷却装置構成要素を超音波で検査した。連結部に欠陥はなかった。その後、こうして生産した冷却装置構成要素を機械加工し、ボルト連結によって鋼構造にスライド装着した。
炭素繊維強化グラファイト（ＣＦＧ）で作った熱遮蔽を備えるモノブロック設計の冷却装置構成要素を、次のようにして生産した。
２８ｍｍ（ピッチ方向）、２５ｍｍ（ＰＡＮ方向）及び２０ｍｍ（繊維方向）の寸法を持つ３つのＣＦＧブロックに、直径１４ｍｍの貫通孔を設けた。次に、孔の内部と寸法が２５×２０ｍｍ2の１つのブロック側面を、レーザ手段により構造化した。後続工程で、ＯＦＨＣ銅を、鋳造プロセスにより構造化した孔内及び／又は構造化ブロック表面上に取り付け、濡れを確保すべく連結部にチタンを用いた。その後、ブロック表面上と内のＯＦＨＣ銅を、０．５〜１ｍｍの厚さ迄切削した。その後、何れの場合にも、直径約１２ｍｍの銅−クロム−ジルコニウム合金製のパイプを孔に挿入した。何れの場合にも、全側面に厚さ５μｍのニッケルメッキを施した、寸法が２５×２０×３０ｍｍ3の鋼の立方体を、ＯＦＨＣ銅層を設けたブロック側面に配置した。こうして得た組立体を、次に鋼缶内に入れた。鋼缶を、溶接し、真空排気し、５５０℃及び１０００×１０5ＰａでＨＩＰプロセスを施した。缶の除去後、冷却装置構成要素を超音波で検査した。連結部に欠陥はなかった。その後、こうして生産した冷却装置構成要素を機械加工し、ボルト連結によって鋼構造にスライド装着した。
例２
タングステン製の熱遮蔽を備えたモノブロック構成の冷却装置構成要素を、次のように製造した。
何れの場合にも、寸法が２８×２５×２０ｍｍ3のタングステンブロックに、直径１４ｍｍの孔の形態をとる貫通孔を設けた。タングステンブロックの孔及び２５×２０ｍｍ2の側面を、ＯＦＨＣ銅で裏当て鋳造した。鋳造プロセス後、孔内とブロック表面上の両方のＯＦＨＣ銅を、０．１〜５ｍｍの厚さになる迄切削した。こうして得たタングステンブロックに、次に、銅−クロム−ジルコニウム合金製のパイプを通した。何れの場合も、全ての側面に厚さ５μｍのニッケルメッキを施した、寸法が２５×２０×３０ｍｍ3の鋼の立方体を、ＯＦＨＣ銅層を設けたブロックの側面に配置した。その後、この組立体を、鋼缶内に入れた。鋼缶を溶接し、真空排気し、５５０℃及び１０００×１０5ＰａでＨＩＰプロセスを施した。缶の除去後、超音波検査を実施したが、欠陥は認められなかった。その後、こうして製造した冷却装置構成要素を機械加工し、電子ビーム溶接によって鋼構造に固定した。
タングステン製の熱遮蔽を備えたモノブロック構成の冷却装置構成要素を、次のように製造した。
何れの場合にも、寸法が２８×２５×２０ｍｍ3のタングステンブロックに、直径１４ｍｍの孔の形態をとる貫通孔を設けた。タングステンブロックの孔及び２５×２０ｍｍ2の側面を、ＯＦＨＣ銅で裏当て鋳造した。鋳造プロセス後、孔内とブロック表面上の両方のＯＦＨＣ銅を、０．１〜５ｍｍの厚さになる迄切削した。こうして得たタングステンブロックに、次に、銅−クロム−ジルコニウム合金製のパイプを通した。何れの場合も、全ての側面に厚さ５μｍのニッケルメッキを施した、寸法が２５×２０×３０ｍｍ3の鋼の立方体を、ＯＦＨＣ銅層を設けたブロックの側面に配置した。その後、この組立体を、鋼缶内に入れた。鋼缶を溶接し、真空排気し、５５０℃及び１０００×１０5ＰａでＨＩＰプロセスを施した。缶の除去後、超音波検査を実施したが、欠陥は認められなかった。その後、こうして製造した冷却装置構成要素を機械加工し、電子ビーム溶接によって鋼構造に固定した。
１ 冷却装置構成要素、
２ 熱遮蔽、
３ 構造部品、
４ 冷却パイプ、
５ 貫通孔、
６ 接合部、
７、１３ 中間層、
８ 応力除去切欠き、
９ 円弧部分、
１０ 面取り部分、
１１ 支持素子、
１２ ボルト連結部
２ 熱遮蔽、
３ 構造部品、
４ 冷却パイプ、
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９ 円弧部分、
１０ 面取り部分、
１１ 支持素子、
１２ ボルト連結部
Claims (21)
- 核融合炉の冷却装置構成要素であって、該構成要素が、
タングステン、タングステン合金、グラファイト材料又はカーバイド材料からなり、その中を貫通する貫通孔（５）を備えた少なくとも１つの熱遮蔽（２）と、
室温において３００ＭＰａ超の引張り強さと０．０４Ωｍｍ2ｍ-1超の電気抵抗率とを有する材料からなる、前記熱遮蔽を支持素子に連結し又は結合するための少なくとも１つの構造部品（３）と、
冷却材を送るための、前記貫通孔（５）内に設置された少なくとも１つの冷却パイプ（４）とを備え、
前記熱遮蔽（２）と構造部品（３）とが、熱遮蔽の外面において、互いにはんだ付け又は溶接されており、且つ、前記構造部品（３）が、１つ以上のフィンを用いたボルト連結によって又は構造部品（３）と支持素子（１１）との間における相対運動を可能にするスライド式の機械的連結によって、支持素子（１１）に接続されたことを特徴とする冷却装置構成要素。 - 熱遮蔽（２）と冷却パイプ（４）とが互いに接合されたことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置構成要素。
- 前記熱遮蔽（２）が、投影長さ１、投影幅ｂ及び構造部分に関する接合面積（６）を有し、該投影接合面積（６）が０．３×（ｌ×ｂ）以上であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置構成要素。
- 前記投影接合面積（６）が０．８×（ｌ×ｂ）以上であることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置構成要素。
- 前記接合部（６）が平面形状をなすことを特徴とする請求項３又は４に記載の冷却装置構成要素。
- 前記接合部（６）が一定の形状を付与されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の冷却装置構成要素。
- 硬さが３００ＨＶ未満の延性材料の中間層（１３）が、熱遮蔽（２）と構造部品（３）の間に導入されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記中間層（１３）が銅基の材料から構成されたことを特徴とする請求項７に記載の冷却装置構成要素。
- 前記中間層（１３）に、応力除去切欠き（８）が設けられたことを特徴とする請求項７又は８に記載の冷却装置構成要素。
- 前記中間層（１３）の厚さが０．０１〜５ｍｍであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の冷却装置構成要素。
- 硬さが３００ＨＶ未満の延性材料の中間層（７）が、熱遮蔽（２）と冷却パイプ（４）との間に導入されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記構造部品（３）が、前記接合部（６）からの距離が増すに伴い狭くなる断面を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記構造部品（３）が、Ｆｅ基、Ｔｉ基又はＮｉ基の材料から構成されたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記構造部品（３）が、オーステナイト系、フェライト系若しくはフェライト−マルテンサイト系の鋼又は酸化物分散強化型材料から構成されたことを特徴とする請求項１３に記載の冷却装置構成要素。
- 構造部品の比透磁率が１．２未満であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記熱遮蔽（３）及び／又は構造部品（３）が、接合部（６）の領域に円弧部分（９）又は面取り部分（１０）を備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記貫通孔（５）が連続孔として形成されたことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記冷却パイプ（４）が、銅基の材料から構成されたことを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の冷却装置構成要素。
- 前記構造部品（３）が溶接によって支持素子（１１）に接合されたことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の冷却装置構成要素。
- 核融合炉の第一壁構成要素として用いられることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載の冷却装置構成要素。
- ダイバータとして用いられることを特徴とする請求項２０に記載の冷却装置構成要素。
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