JPH08292278A - プラズマ対抗材料 - Google Patents

プラズマ対抗材料

Info

Publication number
JPH08292278A
JPH08292278A JP7096511A JP9651195A JPH08292278A JP H08292278 A JPH08292278 A JP H08292278A JP 7096511 A JP7096511 A JP 7096511A JP 9651195 A JP9651195 A JP 9651195A JP H08292278 A JPH08292278 A JP H08292278A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
plasma
groove
crack
cracks
depth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP7096511A
Other languages
English (en)
Inventor
Moroo Nakagawa
師夫 中川
Akio Chiba
秋雄 千葉
Yasutaka Suzuki
康隆 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP7096511A priority Critical patent/JPH08292278A/ja
Publication of JPH08292278A publication Critical patent/JPH08292278A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

Landscapes

  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【構成】プラズマ対抗材料の表面の近くに溝を設けるこ
とにより凹凸を付ける。溝の形状や寸法を適切に選ぶこ
とにより人為的に制御されたく亀裂を成長させ、それ以
上の亀裂の進展がないようにする。 【効果】熱衝撃により高い応力が繰り返し付加されるプ
ラズマ核融合炉のダイバータや第1壁に使用される材料
の表面に応力干渉効果のある溝加工をすることにより、
致命的に大きな亀裂の発生を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ核融合炉壁な
どに用いられる耐熱衝撃性に優れると共に耐プラズマ
性,耐放射線性,耐スパッタリング性などに優れたプラ
ズマ対抗材料に関する。
【0002】
【従来の技術】図1にプラズマ核融合炉の斜視図を示
す。図中、1はプラズマ核融合炉の炉壁であり、これに
使用される表面防護材(アーマ材)、特にダイバータや
第1壁に用いられる材料は、高温のプラズマに直接対抗
する材料であるので最も過酷な条件に耐えなければなら
ない。即ち、これらの材料に対するプラズマによる熱負
荷条件は非常に厳しく、定常熱負荷として100W/cm
2 以上、局所的には数kW/cm2 以上になるものと考え
られている。さらにプラズマが不安定に消滅するときに
は瞬時にそのエネルギの一部を放出するため数百kW/
cm2 以上もの高熱流束を受けることになる。大型プラズ
マ核融合試験装置(日本原子力研究所、那珂研究所のJ
T−60U)にはプラズマ対抗材料として黒鉛や炭素繊
維強化炭素複合材料(C/Cコンポ)が用いられた(山
科ほか:炭素TANSO,150(1991)35
4)。これらの材料は、耐熱性,耐熱衝撃性が高く、ま
た炭素は低原子番号の元素であるため不純物としてプラ
ズマ中に混入した際にプラズマの放射熱損失が少ないと
いう理由による。しかし、プラズマにより炭素材には化
学的スパッタリングが生じるという致命的な欠点がある
ため、黒鉛の表面をボロンで被覆した第1壁や表面を炭
化ホウ素を転化したC/Cコンポ材がダイバータに用い
られている(M.Saidoh et al.:J.Appl.Phys.,32(1
993)3276,T.Ando et al.:11th Int.Conf.Plas
ma Surface Interaction)。しかし、これらの手法で作
製した材料は、表面層が除去されると特性が変化すると
いう欠点がある。一方、B4C を例にとれば焼結性が悪
く、かつ低強度であり、さらに熱伝導率が小さいと云う
欠点があるため単味では用いられず、C−B4C または
C/C−B4C などの複合材としての応用が考えられて
いる(特開平3− 56896 号公報)。しかし、これらの複
合体も熱衝撃に対して強いものではなく、熱負荷試験で
しばしば割れが見られる。
【0003】また、国際熱核融合実験炉(ITER)で
は、熱負荷が10〜30MW/m2程度になると考えら
れている。するとC−B4C またはC/C−B4C など
の複合材では強度的にプラズマ対抗材料として無理があ
り、高熱伝導性セラミックスや金属材料の使用も考えら
れる。金属材料としてはできるだけ軽元素で高融点のも
のが望ましいが両者を満たす材料はない。金属材料の高
熱伝導性、裏面の水冷効果を勘案してもプラズマ対抗面
は1000℃程度になる(秋葉真人:「核融合炉工学研
究会(IV)」報告書,UTNL−R0281(199
1)43)と考えられているのでプラズマ対抗面におけ
る金属材料の融点は1000℃以上が必要である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】プラズマ対抗材料で、
プラズマがゆがんだ際に直接プラズマ照射を受けるアー
マ材の表面は急激に高温に加熱され、次いでプラズマが
安定すれば材料表面温度は急激に低下する。これらの温
度サイクルにより材料にはヒートクラックが発生する。
ヒートクラック発生またはその後の進展によってはプラ
ズマ対抗材料は致命的な損傷を受けることになる。C−
4C またはC/C−B4C などの複合材は物理的及び
機械的に異なる複数の材料の複合体であるので、温度サ
イクルにより複雑な熱応力が作用することになる。従っ
て、プラズマ照射により大きな熱応力が作用しても割れ
ない構造を有する材料の開発が必要である。また、強度
の優れた材料であっても高融点材料は本来脆性材料であ
るのでセラミックスと同様の扱いが必要である。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、C−B4
C またはC/C−B4C などの複合材、高熱伝導性の
SiCセラミックス及び高融点のMo金属材料を用い
て、大きな熱衝撃を受けた際にも割れが発生しない構造
について検討した。即ち、熱衝撃抵抗の大きな材料を得
るには熱衝撃係数を大きくするような材料とその構造を
選ばなければならない。熱衝撃係数は材料の熱伝導率と
引張強さの積を線膨張係数と縦弾性係数で除した形で表
せる。セラミックスを例にとれば、緻密質のセラミック
スは、一般に多孔質のセラミックスよりも大きな熱伝導
率,強度,弾性係数を有するが、これらの相乗効果とし
て、熱衝撃係数が小さくなる。緻密質セラミックスでは
強度以上の応力が作用すれば脆性的に破壊する。一方、
多孔質セラミックスでは応力の干渉効果により発生する
応力を小さく押さえることが出来るのでセラミックスの
脆性破壊を防止することが可能である。従って、プラズ
マ照射により材料の表面の近くに発生する過大な熱応力
に対して、表面の近くのみを多孔質にして応力の緩和を
図ることは有効な手段であると思われる。しかし、表面
の近くのみを多孔質とすることは難しく、また、多孔質
の度合いを制御することも難しい。本発明では、表面の
近くに制御された溝を設けることにより凹凸を付け、熱
応力を緩和すると共に、溝の形状や寸法を制御すること
により人為的に制御されたクラックを成長させ、それ以
上のクラックの進展がないようにする。
【0006】
【作用】本発明によるプラズマ対抗材料は、プラズマ照
射による材料の脆性破壊を防止すると共に材料の種類を
限定するものでないので軽元素材料であるBe,B,V
2 ,B4C ,SiC,TiB2 ,TiC,粒状及び繊
維状Cなどを自由に選択して耐プラズマ性,耐放射線
性,耐スパッタリング性にも優れたプラズマ対抗材料を
得ることが出来る。また、金属材料は単体でも、更に表
面に耐プラズマ性,耐放射線性,耐スパッタリング性に
優れた材料のコーティングや複合化することも可能であ
る。
【0007】
【実施例】以下、本発明を実施例により詳細に説明す
る。
【0008】(実施例1)まず、どの様な形状の溝を形
成することにより表面に発生する亀裂を人為的に制御で
きるかについて検討した。問題を簡単化するために、直
線縁に等間隔Lに並んだ深さdの亀裂を有する半無限板
に引っ張り応力σが作用する場合を考えると、亀裂先端
の応力強烈度を表す応力拡大係数Kは、K=Fσ(π
d)1/2 で表せる。ここで、Fは亀裂の形状により決ま
り、d/LとFの関係を有限要素法を用いて計算すると
表1のようになる。
【0009】
【表1】
【0010】上表より、d/Lが大きくなるにつれてF
が小さくなることがわかる。しかし、その減少の割合
は、d/Lが小さいときに大きく、d/Lが大きくなる
と小さくなり、その効果はd/Lが小さいときに顕著で
ある。d/Lの値の異なる試験片を焼き入れ硬化した熱
間工具鋼で作製し、亀裂進展の様子を観察した結果、d
/Lが0.578 以上で等間隔で並んだ亀裂の干渉効果
が顕著であることが確認できた。従って、d/Lは0.
6 以上とすることが必要であることがわかった。ま
た、干渉効果は、SiC焼結体についても同様に観測さ
れた。
【0011】(実施例2)カーボンブラック(65wt
%)に炭化硼素10wt%及び人造黒鉛25wt%の割
合で混合し、金型プレスを用いて150MPaの圧力で
50mm×50mm×15mmの大きさに成形した。次いで非
酸化性ガス雰囲気下1000℃で予備焼成し、揮発分を
除去した。更に、真空中2000℃で焼成し、炭素/炭
化硼素(C/B4C )複合体を得た。得られた焼結体の
相対密度は86%で、その熱伝導率は160W/mKで
あった。焼結体を40mm×40mm×10mmのの大きさに
加工し試験片とした。試験片の表面にYAGレーザを用
いて一方向に平行な幅0.05mm,間隔0.5mm の直線を深
さ0.1mmから1.0mmの溝を刻んだ10個の熱負荷評価
用の試験片を作製した。試験片の表面をアセチレンバー
ナを用いて10sec で1000℃に加熱し、直ちに20
sec 水冷する熱サイクルを50回繰り返した。その結
果、亀裂深さが0.5mm 以下のものには選択的に大きな
割れがでたが、亀裂深さが0.6mm 以上のものは亀裂の
進展は見られたがいずれも亀裂は停留し、それ以上進展
しないことがわかった。また、初期亀裂を入れない平滑
材は、繰り返し熱衝撃試験によりばらばらに壊れた。更
に、亀裂の間隔及び深さを増し試験をしたが、亀裂深さ
が材料の厚みの10%をこえると、剛性や耐荷重性を損
なうので亀裂の深さは10%以下にすることが望ましい
ことがわかった。
【0012】(実施例3)軸方向に600W/mKの熱
伝導率を有するピッチ系C繊維2000本を束にした繊
維束を平均粒径1.5μmのB4C 粉末(25vol%)と
フェノール樹脂(10vol%)及びメタノールを混合した
スラリの中に浸漬し、C繊維の体積含有率が50%にな
るようにスラリを含浸させて、所定の長さに切断したの
ち室温で乾燥した。これを一方向に積層し、40mm×4
0mm×30mmの大きさに成形した。次いで黒鉛製のダイ
ス中で加圧力30MPa,温度1700℃,保持時間1
hの条件で真空ホットプレス焼結した。得られた焼結体
の相対密度は83%で、その熱伝導率は繊維方向に18
0W/mKであった。焼結体の表面にYAGレーザを用
いて直角二方向に平行な幅0.05mm,間隔0.5mmの直
線を深さ0.2 から1.0mmまで0.2mmピッチで換えた
溝を刻んだ5個の試験片を作製した。試験片の表面をア
セチレンバーナを用いて10sec で1000℃に加熱
し、直ちに20sec水冷する熱サイクルを50回繰り返
した。その結果、亀裂深さが0.6mm以下のものには選
択的に大きな割れがでたが、亀裂深さが0.6mm 以上の
ものは亀裂の進展は見られたがいずれも亀裂は停留し、
それ以上進展しないことがわかった。また、初期亀裂を
入れない平滑材は、繰り返し熱衝撃試験により繊維と平
行方向に数本の大きな亀裂が発生しそのうちの1本は試
験片の底まで達し、その結果として試験片は二つに割れ
た。
【0013】(実施例4)平均粒径2μmのSiC粉末
に焼結助剤として0.2% のBeOを添加し、さらにバ
インダとしてシリコーン樹脂をキシレンで希釈し、これ
らを混ぜ合わせスラリ状とした。スラリをスプレドライ
ヤを用いて平均粒径約120μmの造粒粉とした。次い
で加圧力50MPaで直径170mm,厚さ約25mmに成
形した。成形体を温度2150℃,加圧力30Mpaで
真空ホットプレス焼結した。得られた焼結体の相対密度
は98.5% 、熱伝導率は215W/mKであった。こ
の焼結体を40mm×40mm×10mmに加工し試験材とし
た。焼結体の表面にYAGレーザを用いて溝の幅が0.
05mm、一辺の長さが1.0mm、深さが0.85mm のハ
ニカム状の溝を刻んだ試験片を作製した。試験片の表面
をアセチレンバーナを用いて10sec で1000℃に加
熱し、直ちに20sec 水冷する熱サイクルを50回繰り
返した。その結果、亀裂の進展は見られたが亀裂は停留
し、それ以上進展しないことがわかった。また、初期亀
裂を入れない平滑材は、繰り返し熱衝撃試験によりばら
ばらに壊れた。
【0014】(実施例5)40mm×40mm×10mmに加
工したW/20Cu合金の表面にYAGレーザを用い
て、溝の幅が0.05mm、半径が0.5mm、深さが0.6m
mで1.0mm離れた間歇的な円形の溝を刻んだ試験片を作
製した。試験片の表面をアセチレンバーナを用いて10
sec で1000℃に加熱し、直ちに20sec 水冷する熱
サイクルを50回繰り返した。その結果、亀裂の進展は
見られないことがわかった。また、初期亀裂を入れない
平滑材は、繰り返し熱衝撃試験によりばらばらに壊れ
た。
【0015】
【発明の効果】熱衝撃により高い応力が繰り返し付加さ
れるプラズマ核融合炉のダイバータや第1壁に使用され
る材料の表面に応力干渉効果のある溝加工をすることに
より致命的な亀裂の発生を防止し信頼性の高いプラズマ
対抗材料が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】プラズマ核融合炉の斜視図。
【符号の説明】
1…プラズマ核融合炉の炉壁、2…真空容器、3…ポロ
イダル磁場コイル、4…トロイダル磁場コイル、5…中
心ソレノイドコイル。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】プラズマ照射を受ける材料の表面に溝加工
    を施し、凹凸を付けたことを特徴とするプラズマ対抗材
    料。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記溝の深さは材料の
    厚みの1/10以下、溝の深さと溝の間隔の比を0.6
    以上としたプラズマ対抗材料。
  3. 【請求項3】請求項1または2の材料は、粒状または繊
    維状C,Be,B,VB2 ,B4C,SiC,Ti
    2 ,TiCまたは、これらの複合体からなるプラズマ
    対抗材料。
  4. 【請求項4】請求項1または2の材料は、融点が100
    0℃以上の単体または合金である金属材料からなるプラ
    ズマ対抗材料。
  5. 【請求項5】請求項1,2,3または4の材料を用いた
    プラズマ核融合炉。
JP7096511A 1995-04-21 1995-04-21 プラズマ対抗材料 Pending JPH08292278A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP7096511A JPH08292278A (ja) 1995-04-21 1995-04-21 プラズマ対抗材料

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP7096511A JPH08292278A (ja) 1995-04-21 1995-04-21 プラズマ対抗材料

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH08292278A true JPH08292278A (ja) 1996-11-05

Family

ID=14167161

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP7096511A Pending JPH08292278A (ja) 1995-04-21 1995-04-21 プラズマ対抗材料

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH08292278A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007165304A (ja) * 1997-06-26 2007-06-28 Mks Instruments Inc トロイダル・プラズマ・チャンバ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007165304A (ja) * 1997-06-26 2007-06-28 Mks Instruments Inc トロイダル・プラズマ・チャンバ
JP2008218431A (ja) * 1997-06-26 2008-09-18 Mks Instruments Inc トロイダル・プラズマ・チャンバ

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shin et al. Low‐Temperature Processing of Ceramic Woven Fabric/Ceramic Matrix Composites
Tawil et al. Thermal diffusivity of chemically vapour deposited silicon carbide reinforced with silicon carbide or carbon fibres
WO1999019273A1 (fr) Materiau composite fibreux et son procede de fabrication
US20180072631A1 (en) Fast-densified ceramic matrix composite
Mestvirishvili et al. Thermal and mechanical properties of B4C-ZrB2 ceramic composite
Wang et al. Effect of mass transfer channels on flexural strength of C/SiC composites fabricated by femtosecond laser assisted CVI method with optimized laser power
Mehlmann et al. Laser-melt injection of B4C on titanium
KR101285484B1 (ko) 구조화된 텅스텐 부재를 구비한 복합재 부품
JPH08292278A (ja) プラズマ対抗材料
JP2765543B2 (ja) 反応焼結セラミックス及びその製造方法
Kim et al. Nicalon-fibre-reinforced silicon-carbide composites via polymer solution infiltration and chemical vapour infiltration
CN104446590A (zh) 一种连续纤维增强碳/碳-钼复合材料的制备方法
Cui et al. Joining and cycling performance of ultra-thick tungsten coatings on patterned steel substrates for fusion armour applications
CN100419093C (zh) 构件的托架
Donato et al. Thermal shock tests of β-sic pellets prepared from laser synthesized nanoscale sic powders
JPH0881261A (ja) 高熱伝導炭素繊維/炭化硼素複合材料
CA3162026A1 (en) Apparatus and methods for sintering
WO2002078890A1 (en) Electrical discharge machining of carbon-containing work pieces
Mallener et al. Tungsten coatings for nuclear fusion devices
JP4291419B2 (ja) 炭化ケイ素化した炭素繊維強化炭素複合材料の製造方法
JP4078453B2 (ja) セラミックス繊維/SiC複合材料の製造方法
Kwamman Study of carbide composites processed by spark plasma sintering for Gen IV reactors
Croessmann et al. Heat flux testing of carbon materials with an H+ ion beam
CA1153638A (en) Method of preparation of novel fiber reinforced titanium diboride composite bodies and uses therefor
Yehia et al. Ceramic SiC/B4C/TiC/C composites as plasma facing components for fusion reactors