JPH01129188A - 核融合装置の炉壁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、リミタ、ダイバータなど
の炉内構造物の炉壁に関する。

（従来の技術） 核融合装置の第一壁、リミタ、ダイバータなどの炉内構
造物の炉壁はプラズマからの放射や高エネルギ粒子など
による熱負荷と粒子負荷を同時に受ける。炉壁が熱負荷
や粒子負荷を受けると、炉壁には昇華やスパッタリング
などの現象が生じ、炉壁材料の構成粒子がプラズマに混
入してプラズマの放射損失をまねく、この場合、プラズ
マに混入する不純物の原子番号が小さい程、前記プラズ
マの放射損失量は小さくなるので、一般に炉壁は高融点
の低原子番号材からなるアーマと、前記アーマに発生す
る熱を効率よく冷却媒体に伝えるヒートシンク部材とを
機械的、あるいは冶金的に接合して構成される。

高融点低原子番号材としては炭素を主体とした黒鉛材料
などが望ましいが、中でも炭素繊維複合材（Ｃ／Ｃコン
ポジット）は低原子番号材であり、しかも、高融点で高
温での強度も強いため炉壁アーマとして用いられている
。２次元の炭素繊維複合材は炭素繊維を平面状に織り、
これを積層してピッチや樹脂等を含浸し、これを黒鉛化
して作られるもので、従って、炭素繊維の積層面とこれ
と直交する方向ではかなりの異方性を示す。

第２図は炭素繊維複合材を用いた従来の炉壁の構成を示
す断面図であり、■はプラズマ、■は高エネルギ粒子の
飛来方向、■は２次元織り炭素繊維複合材製のアーマ、
に）はヒートシンク部材、■は２次元織り炭素繊維複合
材の積層面、（ｅはアーマ■とヒートシンク部材に）と
の接合面、■はヒートシンク部材に設けられた冷却媒体
通路、■は受熱面である。アーマ■は熱応力を軽減する
目的と、製作上の観点から一般にタイル形状で用いられ
る。

高エネルギ粒子は矢印■の方向から飛来し、−般にアー
マ■の受熱面■で熱化される。このようにしてアーマ■
に発生した熱はヒートシンク部材（へ）に導かれ、最終
的には冷却媒体通路■内を流れる冷却媒体により除去さ
れる。このような熱の流れに対し、アーマ■では、２次
元織り炭素繊維複合材は、その繊維の積層面■が熱の流
れに直交するように使用されている。

（発明が解決しよ−うとする問題点） 前記したように、アーマ■の極く表面で発生した熱は、
まずアーマ■を伝導で伝わり、接合面０を通ってヒート
シンク部材に）へと流れる。このような熱の流れに対し
、従来、２次元織り炭素繊維複合材はその積層面が前記
熱流に直交する配向で使用されていた。このような２次
元織り炭素繊維の使用方法には大別して次の３種類の問
題がある。

（ａ）２次元織り炭素繊維複合材は大きな異方性（面内
等方性）を示し、繊維の積層面に垂直な方向の熱伝導率
は平行な方向のそれに比べて非常に小さい、このため、
２次元織り炭素繊維をその積層面が熱流に直交する配向
で用いると、隣接する積層間で大きな温度差が生じ、積
層間に大きなせん断応力が発生する。所が、一般に２次
元炭素繊維の積層間の接着力は繊維方向の引張強さに比
べて格段に小さいため、隣接する積層間で大きな温度差
が生じると熱応力によって積層がはく離する恐れがある
。

（ｂ）ヒートシンク部材に）の材料としては、一般にモ
リブデンのような熱伝導の良い材料が使用される０例え
ばモリブデンの線膨張係数は約５×１０″″＠／℃であ
る。これに対し、２次元織り炭素繊維の積層面に平行な
方向の線膨張係数はモリブデンの値よりも１オーダ近く
小さいが、積層面に垂直な方向の線膨張係数はモリブデ
ンのそれと同オーダである。このため、２次元炭素繊維
複合材をモリブデンなどに冶金的に接合する場合、積層
面と平行に接合すると、線膨張係数の相違が大きいため
、接合後に大きな残留応力が生じて接合面の健全性が損
われる。

（ｃ）２次元織りの炭素繊維複合材の繊維の積層面に直
交する方向の熱伝導率は非常に小さいため。

前記積層面に直交する入熱があるとアーマ■の表面温度
上昇が大きくなり、昇華によるアーマの損耗が非常に大
きくなって、アーマ■の寿命が短かくなる。

上記した３つの問題点は炉壁の寿命や信頼性に大きく影
響し、炉壁交換のために核融合装置の稼動率が低下した
り、積層面がはく離し、脱離して電位的に浮いている炉
内機器の絶縁部に入り込んで事故が波及したりする問題
も生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、２次元織り
炭素繊維複合材製炉壁の破損の可能性の小さい、高寿命
、高信頼の核融合装置の炉壁を提供することを目的とす
る。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明においては２次元織り炭素繊維複合材の積層面を
アーマの受熱面と直交させ、また、前記積層面と交叉す
るように炭素繊維複合材とヒートシンク部材を冶金的に
接合して炉壁を構成する。

（作　用） このように構成すると、２次元織り炭素繊維複合材製の
アーマは、その積層面がアーマ内の熱の巨視的な流れと
平行になるため、隣接する積層間で大きな温度差が生じ
ることがない、また、２次元織り炭素繊維複合材の積層
面に平行な方向の熱伝導率は大きいから、同一の入熱量
に対してアーマの表面温度上昇が小さくなり、従って昇
華による損耗を低減する・ことができる、更に、２次元
織り炭素繊維複合材の積層面と交叉するようにヒートシ
ンク部材と冶金的に接合しであるため、接合後に大きな
残留応力が残ることがない。

（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。第１図は、本発明による炉壁の部分断面斜視図
で、■はプラズマ、■は高エネルギ粒子の飛来方向、（
１０）は２次元織り炭素繊維複合材製のアーマ、に）は
モリブデン製のヒートシンク部材、■は複合材の積層面
、０はアーマ（ｌＯ）とヒートシンク部材に）との接合
面、■は冷却媒体通路である。

第１図において、２次元織り炭素繊維複合材は、その積
層面■に直交する面で高エネルギ粒子を熱化できるよう
な形で用いられており、しかも、前記積層面■が接合面
（へ）と直交するようにアーマ（１０）とヒートシンク
部材に）が接合されている。

高エネルギ粒子はアーマ（１０）の表面の受熱面０で熱
化され、ヒートシンク部材に）へと伝導するが、２次元
織り炭素繊維複合材の積層面〇と平行な方向の熱伝導率
は大きいため、同一の発生熱流束に対して積層面を熱流
に直交して用いる場合よりもアーマ（１０）の表面温度
上昇を低減することができ、昇華による損耗を低減でき
るから、長寿命の炉壁を得る。ことができる、また１発
生熱の積層面■を横切る成分は小さいから、隣接する積
層間で大きな温度差が生じることはなく、シたがって、
前記積層間に大きな熱応力が発生することはないため、
層間のはく離、脱落の恐れがない、更に、２次元織り炭
素繊維複合材は、その積層面■が接合面０に直交するよ
うな配位で用いられており、前記積層面と直交する方向
の線膨張係数はモリブデンと同オーダであるため、接合
後大きな残留応力が残って炉壁の信頼性が損われること
はない。

〔発明の効果〕

以上述べたように１本発明においては、２次元織り炭素
繊維複合材の積層面と直交する面で受熱面を形成し、か
つ、前記積層面と交叉する面でヒートシンク部材と接合
したため、昇華による損耗が少なく、積層間の熱応力が
小さく、かつ、接合時の残留応力が小さい、高寿命、高
信頼の炉壁を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の核融合装置の炉壁の断面斜視
図、第２図は従来の核融合装置の炉壁の断面斜視図であ
る。 １・・・プラズマ　　　　　２・・・高エネルギ粒子の
飛来方向３．１０・・・アーマ　　　　４・・・ヒート
シンク部材５・・・積層面　　　　　　６・・・接合面
７・・・冷却媒体通路 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　第子丸　　　健 ｌフ０ラズ′マ 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２次元の炭素繊維複合材製のアーマとヒートシンク部材
   とからなり、前記炭素繊織複合材の積層面と直交する面
   で受熱面を構成し、前記受熱面の反対側において前記積
   層面と交叉する面でヒートシンク部材と冶金的に接合し
   たことを特徴とする核融合装置の炉壁。