JPH0274894A - 核融合装置の第一壁 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は核融合装置の第一壁に関するものである。

（従来の技術） 核融合装置の第一壁はプラズマに面して設置される核融
合装置における構造物全般を指し、例えばリミタ、ダイ
バータ、ブランケット等およびその一部を指すが、この
第一壁はプラズマに近接して設置されるため、プラズマ
からの熱負荷、粒子負荷を受ける等、厳しい環境下にあ
る。特に、リミタ、ダイバータ等は高熱負荷を受けるた
め、熱負荷条件は厳しい。このような条件下で第一壁の
材料として用いられているものの一つにグラファイトが
ある。グラファイトは、プラズマ不純物の観点から優れ
た低原子番号材であり、高い耐熱衝撃性も有している。

図面の第４図には、グラファイトを使用した従来の最も
代表的な第一壁が示されている。図示の第一壁は、グラ
ファイト・タイル（１１）を金属製の基板（３）に固定
板（８）、連結材（９）を用いて固定したものである。

プラズマに面するグラファイト・タイル（１１）にプラ
ズマからの入熱があると、その熱量は接触熱伝達により
基板に伝達され、また、熱放射により散逸される。この
方式では、グラファイト・タイル（１１）と基板（３）
とは、その機械的結合により接触しているのみであるか
ら、その接触部分の熱伝達特性は十分とは言えず、長時
間或は高い熱負荷に対しては冷却が不十分となる傾向が
あった。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上述した２つの従来の第一壁は次に示す
ような問題点を有している。

高い熱負荷（例えば、２に請／ｃｍ”Ｘ３秒、或は、４
ｋｍ／ｃｍ”　Ｘ　１秒以上）が第一壁に与えられると
、表面が２８００℃程度以上の温度に達し、グラファイ
ト・タイルの蒸気圧は１０−’気圧程度以上となり、グ
ラファイト・タイルの表面からの昇華損耗厚みは数ｌＯ
μｍ／ｓ程度以上と大きくなる。

この結果、プラズマ中への炭素原子の混入が増大し、プ
ラズマに不純物制御上、大きな悪影響を及ぼす、という
問題点がある。また、グラファイト表面の損耗も大きく
なり、第一壁の寿命が短くなるという問題点もある。

これらの問題点は、既存の核融合装置においては、上記
のような高熱負荷が第一壁に与えられるということは殆
どないので、従来の第一壁で十分にその機能を果たすの
であるが、安全性をより一層向上させるため、また、将
来の核融合装置では、現在よりも更に高い熱負荷が長時
間にわたり定常的に第一壁に与えられることが予想され
るため、前記課題を解決した第一壁が望まれている。

（問題点を解決するための手段） そこで、本発明者は、上記の課題を解決すべく検討を行
ない、本発明に到達した。すなわち、本発明の要旨は、
核融合装置のプラズマに面して設置される第一壁であっ
て、この第一壁は、炭素繊維が実質的に厚み方向に配向
しており、厚み方向に直角の方向の熱伝導率に対する厚
み方向の熱伝導率の比率が２以上であり、かつ厚み方向
の熱伝導率が３　Ｗ　／　ｅｌｌ・℃以上である炭素繊
維強化炭素複合材料を、主たる構成材料とし、該厚み方
向と実質的に直角をなす片面をプラズマに面して設置さ
れてなる、核融合装置の第一壁、にある。

以下、本発明の詳細な説明する。

まず、本発明において使用される炭素繊維強化複合材料
（Ｃ／Ｃ複合材）は、炭素繊維が実質的に厚み方向に配
向しており、厚み方向に直角の方向の熱伝導率に対する
厚み方向の熱伝導率の比率が２以上であり、かつ厚み方
向の熱伝導率が３Ｗ／ｃｍ・℃以上であるものが、選択
される。

そして、このようなＣ／Ｃ複合材は、炭素繊維の長繊維
を熱硬化性樹脂に含浸し、これを加熱して繊維／樹脂の
複合体を得、この複合体を目、的とする複合材料の厚み
方向より長く切断し、互いに実質的に平行となるように
一方向に揃えて、その繊維の長さ方向に直角の方向に圧
力を加え、成形して樹脂を硬化し、ついで炭化し、さら
にこれをピッチ又は熱硬化性樹脂に含浸した後、炭化、
必要に応じて黒鉛化することにより得られる。

本発明で使用する炭素繊維は、ポリアクリロニトリル（
ＰＡＮ）系、ピッチ系炭素繊維あるいは気相成長法炭素
繊維等、いずれの種類でもよいが、特に繊維軸方向の熱
伝導率が高い高特性のピッチ系炭素繊維が好適である。

そして、本発明におけるＣ／Ｃ複合材は、次のような方
法によって得られる。

まず、炭素繊維の長繊維を熱硬化性樹脂に含浸し、これ
を加熱して半硬化させる。

熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂、フラン
樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げ
られるが、フェノール樹脂特にレゾール型のフェノール
樹脂が好適に使用できる。これらの熱硬化性樹脂は通常
、エタノールのようなアルコール類、ヘキサンのような
炭化水素あるいはアセトンといった溶剤で溶解希釈して
用いる。

熱硬化性樹脂溶液の濃度としては通常１０〜７０ｗｔ％
、好ましくは２０〜６０ｗｆ％の範囲のものを使用する
。

また、フラン樹脂、エポキシ樹脂等硬化剤を要するもの
は硬化剤も溶液中に添加されるβがその量はそれぞれの
樹脂に適した量が添加される。

かかる熱硬化性樹脂溶液に炭素繊維の長繊維を含浸する
方法としては、溶液中に炭素繊維を含浸するといった簡
単な方法で良いが、長繊維ロービングであれば溶液の満
たされた槽内を連続的に走行させる方法が処理の効率の
点から好ましい。また、この際に溶液の満された槽に１
０〜５０ｋｌｌｚ程度の超音波を作用させておくと各単
繊維間、織目間の気泡等による処理むらの影響を防ぐこ
とができるので好ましい。

熱硬化性樹脂溶液に含浸した炭素繊維は例えばローラー
を通すなどして余分な溶液を除去し、次いで加熱処理を
施される。

該加熱処理により、熱硬化性樹脂は熱硬化される。加熱
処理の条件は使用する熱硬化性樹脂の種類によってそれ
ぞれ適性条件は異なるが通常５０〜３００℃１好ましく
は８０〜２００℃の温度で０．２〜５時間、好ましくは
０．２〜２時間加熱処理される。この際、炭素繊維に塗
布された熱硬化性樹脂溶液からの急激な溶剤の脱離を避
るため所定の温度への昇温を徐々に行なわれることが望
ましい。

また、加熱処理は炭素繊維を連続的に加熱炉内を走行さ
せる方法で行なうのが処理の効率の点から好ましい。

ついで、得られた繊維／樹脂の複合体を目的とするＣ／
Ｃ複合材の厚み方向より長く切断する。

この長さは通常は所望する目的物の厚さより少し長い範
囲から選定され、たとえば１５〜１００閣から選ばれる
。切断された複合体は、互いに実質的に平行となるよう
に一方向に揃えられ、その繊維の長さ方向に直角の方向
に圧力を加え、加熱、成型する。

たとえば、金型にロート状の道具を使用して複合体を供
給することにより金型内に実質的に平行になるように揃
え、樹脂の硬化のために必要な温度の加熱下に、繊維の
長さ方向に直角の方向に圧力を加えて樹脂を硬化させる
ことにより成型体を得る。

その後、成型体を容器に入れ、成型体をコークスプリー
ズで取囲むような形とした後、容器を電気炉に入れ、必
要に応じてＮ２ガス流通下で１０００℃程度まで昇温し
で炭化する。

必要に応じては、さらに黒鉛化炉に入れ、不活性雰囲気
下で２０００℃以上の温度まで熱処理する。

ついで、得られた炭化物もしくは黒鉛化物を石油系、石
炭系ピッチあるいはフェノール樹脂、フラン樹脂等の熱
硬化性樹脂に含浸した後、また、熱硬化性樹脂を用いた
場合には樹脂を硬化させた後炭化させる。

その際、熱硬化性樹脂は、アルコール、アセトン、アン
トラセン油等の溶媒に溶解して適当な粘度に調整したも
のを使用するのが一般的である。

また、この場合、圧力下に含浸する方法が好適に採用さ
れる。

たとえば、成型体の炭化物もしくは黒鉛化物とピッチを
低圧反応容器（オートクレーブ）内に入れ真空中で加熱
してピッチを溶解し、炭化物もしくは黒鉛化物がピッチ
の溶融液の中に浸漬した状態となった後、Ｎ２ガスを導
入して低圧で５５０〜６００℃程度に昇温する。

その後、冷却して炭化物もしくは黒鉛化物の緻密化物を
取出し、前述と同様の方法でこれを１０００″Ｃ程度ま
で炭化し、必要に応じて黒鉛化する。

以上のいわゆる緻密化の方法を繰返して行なうことによ
り比重１．６以上の高緻密のＣ／Ｃ複合材を得る。

この際、繊維／樹脂複合体の樹脂含量や緻密化が不十分
であったり、炭化、黒鉛化の際の昇温速度が大きすぎる
と繊維の長さ方向に直角の方向の強度が小さくなり、場
合によっては破壊に至るので適切な条件を選ぶ必要があ
る。また、黒鉛化温度を高（したほうが高い熱伝導率が
得られやすい。

得られたＣ／Ｃ複合材は厚み方向に高い熱伝導率、電気
伝導率を有する。

得られたＣ／Ｃ複合材は厚み方向に高い熱伝導率、電気
伝導率を有する、異方性の材料となる。

得られたＣ／Ｃ複合材は、目的に応じ、厚み方向と直角
方向の強度を向上させるために、炭素繊維を材料とした
長繊維等を用いて周囲を巻くことができ、あるいはＣ／
Ｃ複合材等の炭素材料を適当な形にして結束することが
できる。また、複数の複合材の面間を、フェノール樹脂
を主体とする樹脂などを用いて接着し、これを再びＣ／
Ｃ複合材が最終的に処理された温度程度にまで昇温させ
てＣ／Ｃ複合材の小片を複数枚互いに接着させて目的と
する大きさの複合材とすることもできる。

本発明のＣ／Ｃ複合材は、その厚み方向（１）とその直
角方向（／／）の熱伝導率の比率が２以上、好ましくは
７以上、最適には１０以上であり、かつ、厚み方向（±
）の熱伝導率が３Ｗ／Ｃ１ｌ・℃以上であり、たとえば
、その一方の面に高温度に加熱された物質を置いても厚
み方向の熱伝導率が高いため、他方の面に熱が伝わりや
すく、この他方の面に冷却水を流した部分を接触させる
ことにより、この加熱した物質を有効に冷却することが
できる。すなわち、熱交換により、物質を冷却する場合
に有効に使用しうる。

なお、本発明において、繊維軸方向の熱伝導率が大きい
ピッチ系、特に石炭ピッチ系の高特性の炭素繊維を用い
ると、その効果がより大きくなるので好適である。

本発明においては、このようなＣ／Ｃ複合材を、核融合
装置のプラズマに面して設置される第一壁の主たる構成
材料として、該厚み方向と実質的に直角をなす片面をプ
ラズマに面して設置する。

そして、本発明においては、好ましくは、このＣ／Ｃ複
合材の厚み方向と実質的に直角をなす片面に金属を冶金
的接合、又は機械的結合により接合、結合して用いられ
るが、特に冶金的接合が好適である。

金属は、たとえばＴｉ、　Ｃｕ、　Ｆｅ、　Ｎｉ、　Ｍ
ｏ、、Ｃｒ等あるいはこれらを主体とする合金等から選
ぶのが一般的である０合金系としては、たとえばＴｉの
場合、へβ、Ｖ等を含むものが好適に使用される。これ
らの金属は、通常５ｆｉ程度以下、好ましくは０．１〜
０．３　ｍの薄板として用いられるが、５０ａ＊程度以
下のステンレス板等を、基板として直接あるいは上記薄
板を間そう材として介して、用いることもできる。接合
は、真空ろう付、拡散接合、ＨＩＰ（ホット・アイソス
タティック・プレス）等の常法によることができる。

本発明におけるＣ／Ｃ複合材は、厚み方向に熱伝導、電
気伝導が一方向に高いものであり、熱を有効に除去した
り伝導したりしうる。また、上記のように金属接合した
場合には、特に厚み方向と直角の方向の耐熱衝撃性も高
い。

（実施例） 第１図は、本発明による核融合装置の第一壁の第１の実
施態様を示すものである。第一壁（１）は、後述の参考
例１で得られたＣ／Ｃ複合材（２）を基板（３）に真空
ろう付けしたものである。

すなわち、厚さ１０ｍのステンレス基板（３）に銅ろう
を用いて厚さ１ｍのＴｉ板を間そう材としてろう付は部
（４）を介して接合されている。

基板（３）には、冷却効果を上げるために、冷却管（５
）が直接取り付けられている。

この図のプラズマ対向面（６）が、核融合装置のプラズ
マに面して設置され、第一壁として使用される。

第２図は、本発明の第２の実施態様を示す。この態様に
おいては、参考例１で得られたＣ／Ｃ複合材（２）を用
いて、この厚み方向と実質的に直角をなす片面に金属薄
板（７’）（純Ｔｉ板）を接合した。

すなわち、厚み約１ｍの純Ｔｉ板（融点約１６７５℃）
（７）上にＣｕろうを置き、さらにその上に上記Ｃ／Ｃ
複合材を置いて約１ｋｇの重しをかけ、真空炉中で約１
時間かけて昇温して約１０５０℃で５分間保持し、ろう
付は部（４）を介してＴｉ接合したＣ／Ｃ複合材を得た
。

ついで、このＣ／Ｃ複合材の金属薄板（７）をボルト等
により機械的に基板（３）と接合する（８：固定板、９
：連結材）。また、基板（３）には、上記第一の態様の
場合と同様に、冷却管を取り付けることもできる（６：
プラズマ対向面）。

第３図は、本発明の第３の実施態様を示す。この態様に
おいては、参考例１で得られたＣ／Ｃ複合材（２）、（
２’）を用いて、冷却管（５）の周囲に真空ろう件部（
４）を介して接合する。プラズマ対向面（６）が核融合
装置のプラズマに面して設置し、第一壁として使用され
る。

さらに、本発明は、その要旨を超えない限り上記実施例
に限定されるものではない。

参考例１ ピッチ系炭素繊維（三菱化成士染株式会社製“ダイアリ
ード”、４，０００フイラメント、繊維径１０μ）の長
繊維を、フェノール樹脂のエタノール溶液に浸漬し、つ
いでこれを乾燥器に入れ７０゛Ｃでエタノールを除去し
た後、１００℃以上に昇温してフェノール樹脂を半硬化
させた。得られた繊維／樹脂の複合体（トウプリプレグ
）（炭素繊維：樹脂＝５６１４．重量比）を長さ４０閣
に切断した。このものは、繊維が樹脂で固められ、棒状
で剛直であった。この切断した複合体を互いに平行にな
るように金型内に一方向に揃えて並べ、目的とするＣ／
Ｃ複合材の寸法より大きくなるような形状に充填した。

ついで、１５０″Ｃで低圧を付加し、１時間で２５０℃
まで昇温し、２５０℃で１時間保持し、成型、硬化した
。

成型後の寸法は、１０１．９　ｘ　１２０．５　ｘ　４
０．１繭であった。

ついで、この成型品をコークスプリーズを詰めた容器の
中に入れコークスプリーズでおおった状態で、約５０時
間かけて１０００℃まで昇温し樹脂の炭化を行なった。

ついで、この炭化した複合材と固形のピッチをオートク
レーブに入れ、減圧状態のまま２５０　”Ｃまで昇温し
、ついでＮ２を入れることにより雰囲気を陽圧とした後
、昇温し８時間で５００℃まで到達させた後、５００℃
で５時間保持した。

昇温の際に圧力は、オートクレーブに付属したバルブを
使って一定に保持した。

オートクレーブを冷却し、複合材を取出し、成型品の炭
化と同様の方法で１０００　”Ｃまで炭化した。上記の
オートクレーブ処理とその後の炭化処理を合計３回行な
った後、これを黒鉛化炉に入れアルゴン雰囲気中、２８
００℃まで昇温した後、冷却し、Ｃ／Ｃ複合材を得た。

得られたＣ／Ｃ複合材の嵩密度は１．８ｇ／ｍ３で、厚
み方向（繊維軸と同一方向）とそれに直角の方向の熱伝
導率をレーザーフランシュ法熱定数測定装置（真空理工
型）で測定した。

厚み方向の熱伝導率は３．７０　Ｗ／ｃｍ・℃１厚み方
向に直角の方向の熱伝導率は０．３１　Ｗ／ｃｍ・℃で
あり、その比率は１２．０であった。

なお、このものは２５００℃に加熱された黒鉛化炉内に
急速に入れても破壊せず、耐熱衝撃性にも優れていた。

（発明の効果） 以上のように、本発明の第一壁は、高い熱負荷に長時間
さらされても、表面温度、蒸気圧および昇華損耗は低く
抑えられ、第一壁として優れた性質を有する。

【図面の簡単な説明】 第１〜３図は、本発明の第一壁の第１〜３の実施態様を
示す斜視図、第４図は、従来の第一壁の例を示す斜視図
である。 図中、 ｌ：第一壁、２　：　Ｃ／Ｃ複合材、３：基板、４：ろ
う付は部、５：冷却管、６：プラズマ対向面、７．７’
　　：金属薄板。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）核融合装置のプラズマに面して設置される第一壁
   であって、 この第一壁は、炭素繊維が実質的に厚み方向に配向して
   おり、厚み方向に直角の方向の熱伝導率に対する厚み方
   向の熱伝導率の比率が２以上であり、かつ厚み方向の熱
   伝導率が３Ｗ／ｃｍ・℃以上である炭素繊維強化炭素複
   合材料を、主たる構成材料とし、該厚み方向と実質的に
   直角をなす片面をプラズマに面して設置されてなる、核
   融合装置の第一壁。
2. （２）炭素繊維強化炭素複合材料の厚み方向と実質的に
   直角をなし、プラズマに面しない片面に金属を冶金的接
   合してなる請求項１記載の第一壁。