JPH0356896A - 核融合装置用材料 - 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〕 本発明は炭素と炭化硼素との焼結体を核融合装置例えば
その第工壁用材料として用いた核融合装置用材料に関す
る。

〔従来の艮術］ 核融合装置用材ｆ４特にその第Ｉ　Ｊ−７ｊ　Ｊｌ１　
４．４’　ｆ・Ｉとしては、プラズマを発生させ、閉じ
込めている炉の最内側即ち第ｌ壁として使用されるため
強度、耐熱性、耐熱衝撃性の他に加工性が良好であるこ
と、耐エロージョン性の高いものが要求されている。

しかしこのような用途、特に第ｌ壁用材料として耐熱金
属材料を使用すると高温で｝容融、蒸敗してプラズマに
悪影響を及ぼし、またその蒸気が高原子価元素であるた
め、現在では低負荷部分に局所的に使用されているに過
ぎない。

現在使用されている材料としては、黒鉛等炭素材並びに
炭化硼素材がある。黒鉛等炭素材は耐熱性、耐熱衝撃性
が高く、また炭素は原子番号が低いためフ゜ラズマに冫
昆人したとしてもフ゜ラズマの性能への悪影響を低く抑
えることができるという利点があるため殆どこれが現在
使用されている。しかしこの黒鉛等炭素材に於いては、
プラズマにより第１壁の炭素材がケミカルエロージョン
を起こすという致命的な難点がある。

また一方炭化硼素単味の場合にはホントブレスによって
焼結体を得るので焼桔成形性が悪く、扛つ生産性も低い
。加えて、脆いため位結体の加Ｔ性も悪く、高価である
等の欠点があり、そのｉｌ．ｌ１１ロージョン性につい
ても尚満足すべきものでは広かった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明が解決しようとする課題は、従来のこの種核融合
装置用材料特にその第１壁用材料の上記難点を解消する
ことである。

〔課題を解決するための手段〕

この課題は炭素一炭化硼素焼結体をこの種核融合装置用
材料特に第ｌ壁用材料として使用することにより解決さ
れる。

本発明者の研究に依れば、炭素と炭化硼素の焼結体を核
融合装置用材料として使用する場合には、これ等炭素と
炭化硼素との相乗作用により上記材料として要求される
特性、就中Ｈ２プラズマによるケミカルエロージョン耐
性及び焼結体の加工に於いて著しく優れた効果を発揮す
ることが明らかとなり、この新しい知見に基づき本発明
が完成されたちのである。

〔本発明の構成並びに作用〕

本発明に於いては炭素一炭化硼素焼結体を使用すること
を必須としている。特に炭素（全炭素）と炭化硼素との
比が９９．５：０．５〜６０：４０（重量比）、待には
９９：Ｉ〜７５：２５が好ましく、この範囲で炭素と炭
化硼素との併用による相乗作用が顕著に発ｊ車される。

本発明に於いて使用される炭素一炭化硼素焼結体につい
て以下に説明する。

本発明に於いては炭素一炭化硼素焼結体を製造するに際
しては、特に、 （イ）光学的異方性炭素質小球体を使用し、これを史に
粉砕して好ましくはｌＯｕｍ以下の粒径となるよ・）に
してから使用すること （口）成形品を高温焼成するに際し、不活性零聞気乃至
真空下でこれを行うこと （ハ）別途に人逍黒鉛を成形助剤として使用ずること 〈二）更に必要に応して炭素職維をｌ昆入させることが
特に好ましい。

本発明に於いて使用する光学的異方性炭素質小球体は炭
素球晶とも呼ばれ、顕微鏡下で観察すると球状をなし、
ピッチ類の熱処理によって！！ｌ！潰せられ、それ自体
ハインダー等を用いなくても自己焼結性を有し、炭化硼
素との固溶親和性も良好な特有の性質を有するものであ
る。これは本発明の特徴の一つである。一般には小球晶
の集合体として１０〜３０μｍ程度の房状としての大き
さを持つが、これを更に粉砕後／粉砕前−０．４〜０．
６程度の粒径比に粉砕、好ましくは２〜１０μｍに粉砕
して使用する。粉砕前の該小球体自体は従来公知のもの
が使用され、粉砕方法も特に限定されず、例えば衝撃粉
砕、摩擦粉砕、ジェット粉砕等適宜な手段で行えば良い
。ここで光学的異方性小球体を粉砕せず、そのまま用い
た場合は炭化硼素の割合が均大するに従い、焼結体の嵩
比重、強度が急激に低下し更に焼結中炭化硼素の硼素が
焼桔体中へ均一に固溶拡散することが難しくなり、惹い
てはケミカルエロージョンに於ける相乗勤果が発１’４
！され雑く、且つ加工性も悪くなる欠点を示す。

この粉砕された小球体は、次いで炭化硼素及び人造黒鉛
、更に必要に応して炭素玖維と共に充分に混合される。

この際の配合割合のうら、炭素と炭化硼素との割合は前
記した通りである。炭素材としては上記小球体と或形助
剤たる人造黒鉛とが含まれ、炭素材中人造黒鉛の量は１
〜３０好ましくは３〜３０重量％程度である。炭素繊維
は上記炭素材とは別途に必要に応じ配合され、配合され
る均合は炭素と炭化硼素全量１００　ｔ囃部に対しＯ　
−１５重量部程度である。

この際使用する人造黒鉛は威形時の戒形性及び加工性の
改善のため使用され、できるたけ高純度の人造黒鉛を使
用する。また炭素繊維は耐熱ｆｉｉ　撃性、強度を高め
るために使用されできるだけ高純度の炭素繊維を使用す
るのが好ましい。

次いで該混合粉末を常法に従って、例えば油圧プレス等
のプレスにて０．５〜２．Ｏｔ／　ｃｍ程度の圧力で戒
形する。成形物はコークス粉末中で非酸化性？ス雰囲気
下にて、例えば昇温速度７〜ｌＯ℃　／Ｈｒで１０００
℃程度まで界温し、揮発分を除去した｛５＆，非酸化性
ガス雰囲気下にて例えば２００　’Ｃ前後まで冷却して
予ＷＩ焼威晶とする。

予備焼或品は不活性ガス雰囲気下もしくは真空下で２０
００℃以上まで熱処理して焼成体とする。この際この焼
威を上記以外の方法で行うと炭化硼素の一部が酸化され
Ｂ２０３を生じる。Ｂ２０３が存在すると、それ自体蒸
気圧が高いうえ、潮解性を有するため空気中の水分を吸
収して粘着性を生じ、例えば保存時の変質、耐熱性、使
用状態における固結によるトラブル、装置の腐食、該融
合炉のプラズマに悪影響を与える不純物となるなど望ま
しくない問題が生じる。本発明に於いては酸素をできる
だけ遮断した不活性ガス雰囲気下若しくは真空下で行わ
れるため殆どＢｚＯ３を生じることはなく、たとえ生じ
たとしてもこの微量の８■０，はその沸点が低いため２
０００℃以上の上記焼威工程で除去できるものである。

かくして得られる炭素一炭化硼素焼結体は高強度であり
、しかも耐熱衝撃性、耐エロージョン性、加工性に優れ
たものとなる。加えて炭化硼素を多量含有しているにも
かかわらず、品強度、高密度であると共に８２０：ｌも
殆どなく吸湿性の極めて少ない焼結体となる。

Ｉｆｆ，られた焼結体は炭素と炭化硼素とが夫々この形
態のままで焼結されているものむ：ｆかりでなく、硼素
が炭素と固溶体を形成している相も在在するものとみな
される。

かくして得られる炭素一炭化硼素焼桔体は核融合装置用
材料として極めて優れている。即ち核融合装置用材１｝
特に第１壁用材料としては通常、耐ケミカルエロージョ
ン性、耐熱性、耐熱衝撃性、晩ガス性、低不純物、熱伝
導性の各点に於いて優れたものが要求され、特に嗣ケミ
カルエロージョン性及び任意の形状に加工できる性質が
強く要求される。

本発明焼結体は特にケミカルエロージョン性に於いて従
来のもの特に第１壁用材料に比し著しく優れている。尚
ケミカルエロージョン性とは、ｈプラズマが材料に衝突
した際に材料中のＣがＣＩ．等炭化水素となってどれだ
け消比するかという性質であり、小さいことが望ましい
。本発明焼結体はこの要求を満足する。

また本発明焼結体は耐酸化性にも優れている特徴がある
。この耐酸化性は二〇種核融合装置の安定性に重要な性
質であり、後記実施例２就中第２図からも本発明焼結体
が耐酸化性に優れていることが判明する。

〔発明の効果〕

本発明の炭素一炭化硼素焼結体は前記の水素プラズマに
よるケくカルエロージョン耐１′ｔｌ　（耐還元性）に
優れ、且つ耐酸化性にも優れるという相反する性質を持
つものであり、この様な材料は従来第１壁として用いら
れて居らず、本発明による、特殊な炭素原料の採用、そ
れと炭化硼素との特殊な配合比による相乗効果、不純物
として副生され易い酸化硼素が非常に少ない特殊な反応
条件による製法、焼結体の機倣加工性の良さ等、本発明
焼結体は核融合炉として要求される上記各特性をすべて
充足している。

Ｃ実施例］ 以下に本発明で使用する炭素一炭化硼累焼粘体の製造例
たる参考例、及び実施例を，六して木発明を更に具体的
に説明する。

参考例１ 川埼製鉄（ｉ旬製の光学的異方性小球体ｒ　ＫＭＦＣ．
（平均拉径１ｌμｍ）をジェット粉砕して平均粒子１条
５μｍに調整したものがＭ終焼桔体中に９２重１）＋％
、人造黒鉛粉（平均粒子径１０μｍ）３車π％及び炭化
硼素（平均粒子径４μｍ）５重！迂％の割合となるよう
に配合し、充分に混合した後、プレスにて威形圧２Ｌｏ
ｎ／　ｃｔＡで或形した。成形体はコークス粉末中に詰
め、非酸化雰囲気下でｉｏｏｏ’ｃまて界温し予ＯＩ焼
威品とした。この予備焼成品を真空加熱炉にて５Ｔｏｒ
ｒ下、２０００℃で熱処理して、炭素炭化硼素焼結体と
した。

参考例２ 参老例１で得られた予（ｆＴｔ焼或晶を抵抗式加熱炉内
でコークス粉末中に埋めアルゴンガス雰囲気にて２００
０’Ｃまで熟処理して炭素一炭化硼素焼桔体を得た。

比較参考例ｌ 参考例１で得られた予備焼成品を７１１抗武加熱幻ｉ内
でコークス粉末中に理め窒素ガス’ｔ？囲ヌにて２０ｏ
ｏ’ｃまでＦ．さ処理して炭素一炭化硼素焼結体をＣｆ
た。

比較参考例２ 比較参考例１と同様だが２０００℃熱処理Ｊ．Ｙにガス
を流さなかった。

上記で得られた４狸の位拮体の物性を下記第１表に示す
。

参考例１及び２より、アルゴン雰囲気下でも真空ｋｊｊ
５　Ｔｏｒｒ下２０００’Ｃ処理とほぼ同様の特性が得
られることがわかる。比較参考例ｌの焼結体は酸化され
てはいないが強度が半減した。これは焼結体が室化され
たものとＨｉ定される。比較参考例２の焼結体は潮解性
を示すＢ２０３を多ｎに含有し、実用には向かない。

実晦例ｌ 第２表に示したような配合にて、参考例１と同様に炭素
一炭化硼素坑結体を得た。この焼結体についての物性を
第３表に示す。次いで第１図に水老フラズマ照射時のケ
ミカルエロージョ７　ノｉｆｆ！Ｉ　７Ｚ拮果を黒鉛材
の測定結果とともに示す。尚ここでいう黒鉛材とは核融
合反応炉で他の材料と比較する時の標準材料として主に
米国に於いて使用されているｐｏｃｏ社製ｒＡＦＸ−５
ＱＪである。

第 ２ 表 第 ３ 表 このケミカルエロージョンは核融合装置の第１壁として
使用した場合に最も重要な性質の１つであり、水素プラ
ズマを衝突させた場合の材料の消耗（エロージゴン）を
測定したものである。

但し第１図中●印は従来の黒鉛４１独の材料であるｒＡ
ＦＸ−５ＱＪであり、○印は実施例ｌの材料を示す。

この第１図から明らかな通り、実施例ｌのものは従来の
黒鉛材に比し、ケミカルエロージゴンが３０％程度も低
いことを示している。

実施例２ 各成分の配合割合を下記第４表５こ示す割合となし、そ
の他はすべて参考例ｌと同柱に処理してリｚ拮体を製造
した。このものの酸化重］Ｔｔ減をｌｉｔ’ｉ定５た。

条件は８００　”Ｃで空気中に於いて電気炉で加禦し酸
化による試料片の増減率を測定したものである。この結
果を第２図に示す。｛Ｑ　シ第２図中の番号は第４表の
番号と対応する。

第４表 上記第４表はすべて重星％を示ず。またＮｏ．　３は比
較のために示したものである。但し試料片はいずれも１
２ｍ／ｍ　Ｘ　２０ｍ／ｍ　Ｘ　３２ｍ／ｍである。

【図面の簡単な説明】

第１図は核融合材料のケミカルエロージョンを測定した
結果を示すグラフである。 第２図は各種焼結体の耐酸化性をｉｉｌｌ＋定したグラ
フである。 （以　上） 第 １ 図 温度（℃）

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素−炭化硼素焼結体から成る核融合装置用材料
   。
2. （２）核融合装置用材料が核融合装置の第１壁用材料で
   ある請求項１に記載の材料。
3. （３）炭素−炭化硼素焼結体を構成する炭素の少なくと
   も一部が炭素質光学異方性小球体から成ることを特徴と
   する請求項１に記載の材料。
4. （４）炭素−炭化硼素焼結体が、ピッチ類から製造され
   る炭素質光学的異方性小球体を微粉砕し、これに炭化硼
   素及び黒鉛更に必要に応じ炭素繊維等を加えて混合し、
   次いで成形、予備焼成、更に減圧下乃至高真空下での高
   温焼成を順次行って製造されたものである請求項１また
   は２に記載の材料。
5. （５）１０００℃までの予備焼成、更に５Ｔｏｒｒ以下
   の強減圧下、２０００℃までの高温下での焼成を行って
   製造されたものである請求項１または４に記載の材料。
6. （６）上記混合物の割合が、炭素質光学的異方性小球体
   の微粉末４５重量％以上、及び炭化硼素、人造黒鉛、炭
   素繊維から全体を１００重量％となるように任意選択し
   たものである請求項４に記載の材料。
7. （７）光学的異方性小球体の微粉砕物の平均粒径が２〜
   １０μｍである請求項４に記載の材料。
8. （８）上記混合物中の黒鉛が１〜１５重量％である請求
   項４に記載の材料。
9. （９）上記混合物中の炭素繊維が０〜１０重量％である
   請求項４に記載の材料。
10. （１０）上記成形の圧力が０．５〜２．０ｔｏｎ／ｃｍ
    ＾２で行われる請求項４に記載の材料。