JPH1090451A

JPH1090451A - 耐プラズマ用構造部材

Info

Publication number: JPH1090451A
Application number: JP8245103A
Authority: JP
Inventors: Akio Sayano; 顕生佐谷野; Chihiro Shudo; 千尋周藤; Kouichi Ooseji; 光一大勢持; Junji Omori; 順次大森
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-09-17
Filing date: 1996-09-17
Publication date: 1998-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミックス材料の利点に着目しつつ、破壊靭
性及び耐熱衝撃性等の特性を改善して高い信頼性を有す
る実用的な耐プラズマ用構造部材を提供する。【解決手段】プラズマ閉じ込め装置の第一壁中のアーマ
ー（耐プラズマ用構造部材）６を、反応焼結で形成され
たＳｉＣを主成分とするマトリックス１０と、このマト
リックス１０中に複合化させたＳｉＣ系繊維１１とを備
えたセラミックス基繊維複合材料で構成する。この複合
材料を、その繊維配置状態を制御することにより、熱伝
導率の最も高い方向の表面Ｆ１を介してプラズマからの
熱流束（熱負荷）Ｐ１を受けるように形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、トカマク型核融
合装置等のプラズマ閉じ込め装置等で使用される耐プラ
ズマ用構造部材に係り、とくにセラミックス基繊維複合
材料で成る耐プラズマ用構造部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、プラズマを利用する分野には、お
よそ１億℃程度に達する超高温プラズマを磁場により真
空容器内に閉じ込めるトカマク型核融合装置等のプラズ
マ閉じ込め装置が知られている。

【０００３】このようなプラズマ閉じ込め装置では、超
高温プラズマからの高い熱負荷および粒子負荷を真空容
器の内側を構成するリミター、ダイバータ板、アーマ
ー、ブランケット壁等の第一壁で受ける。特に、この第
一壁に高温プラズマ粒子が入射してスパッタリング等の
現象が生じた場合には、第一壁中の構成元素がプラズマ
側に向けてたたき出され、これが不純物としてプラズマ
を汚染し、その結果、プラズマからの放射損失が増大し
てプラズマ温度が低下する等の問題が生じる。

【０００４】このような不純物の汚染によるプラズマの
放射損失は、その不純物を成す元素の原子番号の２乗に
比例して大きくなることが知られている。そこで、この
第一壁を構成する材料としては、カーボン、ベリリウ
ム、ボロン等の高融点及び低原子番号の元素が望ましい
とされている。特に、カーボン材料は、高融点及び低原
子番号であるほか、耐熱衝撃性に優れ、高い熱伝導率を
有するために最も期待されており、その実用化に向けた
検討及び改善が進められている（例えば、特公昭５７−
５０４０号等）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
カーボン材料にあっては、その特性上、１）：プラズマ
中に存在するトリチウムを吸い込む、いわゆる「トリチ
ウム・イン・ベントリー」を起こしやすい、２）：高温
下でガスを発生する、３）：中性子照射で劣化しやす
く、特に熱伝導率の低下をまねく、４）：高温プラズマ
粒子による化学的又は物理的なスパッタリング現象を避
けることができず、カーボンが化学的にＣ−Ｈの形で又
は物理的にたたき出される等の問題があった。

【０００６】この改善策として、カーボン材料の表面に
炭化ボロン（Ｂ₄Ｃ）をコーティングすることも検討さ
れているが、剥がれや耐久性等の問題もあり、例えば上
記の第一壁構成材料として満足したものを得ることは困
難となっていた。

【０００７】そこで、このようなカーボン材料に代わる
ものとして、近年、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いたセラ
ミックス材料が注目されている。このＳｉＣセラミック
ス材料は、上記の高融点（高昇華温度）及び低原子量の
制約を満たすほか、カーボン材料と比べると上記１）〜
４）の問題も少ない。また、このセラミックス材料は、
高い熱伝導率及び高い耐スパッタリング性を有し、例え
ば化学的スパッタリングが発生せずに全体のスパッタリ
ング現象をカーボン材料の４０分の１程度に抑制できる
といった利点がある。

【０００８】しかしながら、上記のようなモノリシック
セラミックス材料は、一般に破壊靭性が低く、耐熱衝撃
性（耐熱応力）に劣るといった特性があるため、これを
極めて高い信頼性が要求されるプラズマ閉じ込め装置の
第一壁に適用することは、実用上、困難であった。この
ことは、第一壁に限らず、プラズマからの熱流束を受け
る他の構造体についても同様であった。

【０００９】この発明は、このような従来の問題を考慮
してなされたもので、セラミックス材料の利点に着目し
つつ、特に破壊靭性及び耐熱衝撃性等の特性を改善して
高い信頼性を有する実用的な耐プラズマ用構造部材を提
供することを、目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明者は、セラミックス材料の靭性強化のために
繊維を複合化させたセラミックス基繊維複合材料に着目
し、この複合材料で耐プラズマ用構造部材を構築した場
合のプラズマから受ける高い熱流束対策について種々の
検討を行ってきた。

【００１１】その結果、複合材料では、繊維の配置方法
に依存して各種材料特性の異方性、例えば熱伝導率の異
方性が決定されるといった事実があり、このような熱伝
導率異方性に基づいてプラズマからの高い熱流束を受け
る表面からの温度上昇を低く抑え、その表面近傍で発生
する熱応力をより効果的に低減できる知見を得て、この
発明を完成するに至った。

【００１２】即ち、この発明に係る耐プラズマ用構造部
材では、プラズマからの熱流束を受ける構成とし、Ｓｉ
Ｃを主成分とするマトリックスと、このマトリックス中
に複合化させた繊維とを備えたセラミックス基繊維複合
材料で成り、このセラミックス基繊維複合材料は、熱伝
導率の最も高い方向の表面を介して上記プラズマからの
熱流束を受けるように形成したことを特徴とする。

【００１３】前記熱伝導率の最も高い方向は、望ましく
は繊維の配置状態に基づいて制御したものとする。この
熱伝導率の最も高い方向の表面は、好ましくは熱伝導率
の最も高い方向に垂直な表面とする。

【００１４】このような耐プラズマ用構造部材を用い
て、例えばプラズマ閉じ込め装置の第一壁（リミター、
ダイバータ板、アーマー、ブランケット壁等）を構成す
れば、熱伝導率の最も高い方向をより積極的に活用でき
るため、プラズマからの高い熱流束を受けたときの第一
壁の表面温度の上昇を効果的に抑制できると共に、第一
壁の表面近傍に発生する熱応力をより一層低減できる。
このことは、第一壁に限らず、他のプラズマからの熱流
束を受ける他の構造体についても同様である。

【００１５】上記の繊維は、ＳｉＣマトリックスの靭性
を高めるための補強材であり、例えばＳｉＣ系（Ｓｉ
Ｃ、ＳｉＣ／Ｃ、Ｓｉ−Ｃ−Ｏ、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−
Ｏ）、窒化ケイ素系（Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｓｉ
₃Ｎ₄／Ｃ）、アルミナ系（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア
（ＺｒＯ₂）、ホウ化チタン（ＴｉＢ₂）、炭化ボロン
（Ｂ₄Ｃ）、ボロン（Ｂ）、タングステン（Ｗ）、モリ
ブデン（Ｍｏ）、および炭素（ＰＡＮ系、ピッチ系）の
いずれか１種で成る繊維、あるいはこれらの繊維を組み
合わせた複合繊維等で成るものとする。

【００１６】この発明で好ましくは、ＳｉＣを主成分と
する繊維（ＳｉＣ系繊維）を使用する。このＳｉＣ系繊
維は、上記繊維の中でも高融点（高昇華温度）及び低原
子量であるほか、高温強度、高温クリープ特性、熱的安
定性、弾性率、熱伝導率、耐スパッタリング性等の諸特
性に優れているためである。

【００１７】この繊維の直径および長さは、複合材料の
各種特性に大きく影響を及ぼす。そこで、この発明では
望ましくは、直径が３μｍ以上２００μｍ以下、長さが
１００μｍ以上の連続繊維又は短繊維などの繊維を使用
する。繊維の直径が３μｍ未満の場合にはマトリックス
への靭性付与効果が少なく、２００μｍを超える場合に
は製品形状対応性が劣化すると共に、繊維の長さが１０
０μｍ未満の場合には靭性改善の効果が著しく小さくな
るためである。

【００１８】繊維の配合率は、望ましくは体積比率で材
料全体の５％以上５０％以下とする。繊維の配合率が５
％未満の場合にはマトリックスへの靭性付与効果が少な
く、５０％を超える場合には均一な複合材料を得ること
が困難になるためである。

【００１９】ＳｉＣを主成分とするマトリックスの作製
方法としては、まず、常圧焼結、雰囲気加圧焼結、ホッ
トプレス、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）等の焼結法が挙
げられるが、これらの方法は高い焼結温度が必要であ
り、一般の繊維では耐熱温度が不十分であるため、焼結
中に繊維劣化が生じてしまう場合がある。また、繊維に
よりマトリックスの焼結及びこれに伴う収縮が阻害され
て、緻密な焼結体が得られにくい。その他の作製法とし
ては、有機金属化合物を用いるプリカーサ法やＣＶＩ法
などもあるが、これらの方法では十分に緻密化すること
ができず、装置コストも含めて製造コストが非常に高く
なる。

【００２０】そこで、この発明で好ましくは、ＳｉＣを
主成分とするマトリックスの作製方法として反応焼結法
を使用する。この方法は焼結温度が低いため、焼結中に
繊維劣化が起こりにくく、また殆ど収縮しないため、ク
ラックや割れ等も殆ど発生しないといった利点があり、
大型形状物や複雑形状物でも容易に加工できるためであ
る。

【００２１】また、上記の反応焼結法は、溶融Ｓｉを含
浸させる方法であるため、気孔が殆ど存在しない緻密な
焼結体を容易に形成できるといった利点もある。この焼
結体の緻密度は、プラズマ閉じ込め装置の第一壁等にと
っては特に重要な意味をもつ。焼結体の緻密度が十分で
なく気孔が残存している場合には、焼結体の比表面積が
増大して、上述したトリチウム・イン・ベントリーを起
こしやすく、高温下でのガス発生も生じやすいためであ
る。このことは、実験においても確認された。

【００２２】上記のセラミックス基繊維複合材料は、例
えば下記の製造方法で作製するものとする。

【００２３】即ち、繊維から２次元繊維織物等を積層し
たプリフォームを作製すると共に、セラミック原料粉末
（ＳｉＣ微粉）等を溶媒中に分散させてスラリーを調整
し、このスラリーを鋳込成形法（常圧鋳込、加圧鋳込、
および減圧鋳込）、押出し成形法、射出成形法などによ
りプリフォームに充填含浸することにより、所定形状の
成形体を作製する。この成形体は、特に鋳込成形法など
を使用することにより、最終形状に近い、いわゆるニア
ネットシェイプのものとなる。

【００２４】次いで、この成形体を真空中あるいは窒素
ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で反応焼結
法、常圧焼結法、ＨＩＰ法、ホットプレス焼結法、雰囲
気加圧焼結法などを用いて１２００℃〜２３００℃の範
囲で０又は１〜１０時間程度、焼結して、マトリックス
中に繊維を複合化させた焼結体を得る。

【００２５】特に、この発明で望ましい反応焼結法を用
いた場合を具体的に説明すると、繊維で成形したプリフ
ォームを作製すると共に、ＳｉＣ粉末とＣ粉末との混合
物を溶媒中に分散させてスラリーを調整し、このスラリ
ーを鋳込成形法等でプリフォームに充填含浸させること
により、所定形状の成形体を得る。この成形体中に１４
００℃〜１６００℃の温度で溶融Ｓｉを含浸及び焼結さ
せることにより、含浸Ｓｉと成形体中のＣ成分とを互い
に反応させ、二次的に生成したＳｉＣと残留Ｓｉとで空
隙部を埋めた緻密な焼結体を得る。

【００２６】なお、上記のセラミックス基繊維複合材料
として、繊維とマトリックスとの界面に少なくともマト
リックスに対して繊維のすべりを発現可能な窒化ホウ素
（ＢＮ）等のすべり層が存在するものを用いてもよい。
この理由は、すべり層により繊維とマトリックスとの結
合を弱めて繊維のすべりを発現させ、ブリッジングやプ
ルアウト等の複合効果をより一層発揮させることができ
るためである。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係る耐プラズマ
用構造部材の実施形態を図面を参照して具体的に説明す
る。

【００２８】（第１実施形態）この実施形態は、この発
明に係る耐プラズマ用構造部材をトカマク型核融合装置
（プラズマ閉じ込め装置）の第一壁中のアーマー（高熱
流防護板）に適用したものである。

【００２９】図１は、プラズマ閉じ込め装置の第一壁周
辺の要部構成を示すものである。このプラズマ閉じ込め
装置は、図示の如く、円筒状の真空容器１内に磁場によ
り超高温プラズマＰを閉じ込め、このプラズマＰからの
熱負荷（熱流束）Ｐ１を受ける真空容器１の内壁部に第
一壁２を配置したものである。

【００３０】第一壁２は、図２に示すように、真空容器
１のプラズマＰ側に固定されるベースを成すアーマー取
付部材３と、この取付部材３のプラズマＰ側で円周方向
の例えば３２分割された位置に真空容器１の軸方向に沿
って配設されたアーマー支持座４と、このアーマー支持
座４のプラズマＰ側にアーマー取付ボルト５で固定され
たアーマー（この発明の耐プラズマ用構造部材を成す）
６とを備え、アーマー取付部材３の内部に冷却材用の複
数の往路７および復路８を形成し、その往復路７、８内
の冷却材を利用して、プラズマＰからの熱負荷Ｐ１を受
けるアーマー６を除熱するようになっている。

【００３１】アーマー６は、図３に示すように、反応焼
結で形成されたＳｉＣを主成分とするマトリックス１０
と、このマトリックス１０中に複合化させた２次元繊維
織物の積層体から成るＳｉＣ系繊維１１とを備えたセラ
ミックス基繊維複合材料で成り、上述した反応焼結法を
用いて作製したものである。

【００３２】ここで、この実施形態のアーマ６を成す複
合材料中の繊維配置状態の設定例を説明する。

【００３３】一般に、ＳｉＣ系繊維はＳｉＣマトリック
スよりも低い熱伝導率を有しているため、複合材料の熱
伝導率は、ＳｉＣ系繊維の配置方法で決定される異方性
を示し、例えば繊維の配合割合が高い方向では低く、そ
の繊維の配合割合が低い方向では高くなる。特に、上記
のように２次元繊維織物の積層体で繊維を構成する場合
には、その積層方向が材料全体の熱伝導率の最も低い方
向となり、この方向に直交する方向が熱伝導率の最も高
い方向となる。

【００３４】そこで、この実施形態では、上記の熱伝導
率の異方性に基づいて、その熱伝導率の最も高い方向の
表面を介してプラズマからの熱負荷Ｐ１を受けるように
繊維配置状態を設定した。具体的には、２次元繊維織物
の積層面Ｌ１がプラズマからの高い熱負荷Ｐ１に代表さ
れる入射方向（図中のＺ軸方向）に平行となる状態でＳ
ｉＣ系繊維１１を積層配置することにより、プラズマか
らの熱負荷Ｐ１を受ける表面Ｆ１に垂直な方向に熱伝導
率の最も高い方向を設定した。この場合の熱伝導率の最
も低い方向は、ＳｉＣ系繊維１１の積層方向（図中のＹ
軸方向）となる。

【００３５】このように複合材料を熱伝導率の最も高い
方向の表面を介してプラズマからの高い熱負荷を受ける
ように形成すれば、ＳｉＣ系繊維の複合化により材料全
体の破壊靭性を高めると共に、複合材料中の熱伝導率の
最も高い方向を積極的に活用できることから、プラズマ
からの高い熱負荷による第一壁の表面温度上昇をより効
果的に低く抑え、第一壁の表面近傍で発生する熱応力を
大幅に低減し、耐熱衝撃性を高めることができる。

【００３６】また、この実施形態によれば、反応焼結で
形成されたＳｉＣを主成分とするマトリックスを有する
繊維複合材料を用いたため、高融点及び低原子量である
と同時に、トリチウム・イン・ベントリー、高温下での
ガス発生、および中性子照射による劣化をより一層効果
的に低減し、かつ、高い熱伝導率で耐熱衝撃性および耐
スパッタリング性に優れたプラズマ閉じ込め装置の第一
壁を構築できる。

【００３７】（第２実施形態）この実施形態は、上記と
同様のプラズマ閉じ込め装置の第一壁を対象とし、特に
第一壁中のアーマーを成す複合材料における繊維配置状
態を一部変更して実施したものである。

【００３８】図４に示すアーマー６を成す複合材料は、
上記と同様のマトリックス１０及びＳｉＣ系繊維１１に
加え、この繊維１１の積層方向に直交する方向（図中の
Ｙ軸方向）に沿ってヤーンを成すＳｉＣ系繊維１１ａを
配置したものである。この積層方向とその垂直方向との
繊維配合割合は、他の方向と比較しておよそ２０％程度
である。このように繊維積層方向に直交する方向に繊維
を配置すれば、上記と同等の効果に加え、繊維積層方向
の剥離強度をより一層高めたプラズマ閉じ込め装置の第
一壁を構築できる。

【００３９】（第３実施形態）この実施形態は、この発
明に係る耐プラズマ用構造部材をプラズマ閉じ込め装置
の第一壁中のダイバータ板に適用したものである。

【００４０】図５に示すダイバータ板２０は、銅製の基
板２１と、この基板２１内の軸方向に挿通された冷却管
２２と、基板２１のプラズマ側にろう付け等で接合配置
した、この発明の耐プラズマ用構造部材を成す板状体２
３とを備え、冷却管２２内に冷却水を供給することによ
り、プラズマからの熱負荷Ｐ１を受ける板状体２３の温
度を適性範囲内で維持するようになっている。ここで、
基板２１と板状体２３との接合部は、過大な負荷を受け
ないような構造となっている。

【００４１】板状体２３は、図６に示すように、反応焼
結で形成されたＳｉＣを主成分とするマトリックス２４
と、このマトリックス２４中に複合化させた２次元繊維
織物から成るＳｉＣ系繊維２５とを備えたセラミックス
基繊維複合材料で成り、上記の反応焼結法を用いて作製
したものである。

【００４２】ＳｉＣ系繊維２５は、上述した熱伝導率の
異方性に基づく繊維配置状態に設定されており、具体的
には、プラズマからの高い熱負荷Ｐ１に代表される入射
方向（図中のＺ軸方向）に平行な状態で帯状の２次元繊
維織物を切れ目なく連続的に（渦巻状に）積層配置した
ものである。この場合には、プラズマからの高い熱負荷
Ｐ１を受ける表面Ｆ１に垂直なＳｉＣ系繊維２５の積層
軸方向（図中のＺ軸方向）が熱伝導率の最も高い方向と
なり、その積層軸方向に直交する方向（図中のＸ軸及び
Ｙ軸方向）が熱伝導率の最も低い方向となる。

【００４３】従って、このような繊維配置構造で複合材
料を形成することにより、熱伝導率の最も高い方向の表
面を介してプラズマからの高い熱流束を受けるダイバー
タ板を構築できるため、上記第２実施形態のプラズマ閉
じ込め装置の第一壁（アーマー）と同等の効果を発揮さ
せることができる。

【００４４】なお、上記第１〜第３実施形態では、プラ
ズマ閉じ込め装置の第一壁中のアーマーおよびダイバー
タ板を適用部材としてあるが、この発明に係る耐プラズ
マ用構造部材はこれに限定されるものではなく、その他
としてリミターやブランケット壁等の第一壁を構成する
他の部材でもよく、また第一壁に限らず、上述した他の
構造体でも適用可能である。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、ＳｉＣをマトリックスの主成分とするセラミックス
基繊維複合材料を用いたため、高融点及び低原子量であ
ると同時に、トリチウム・イン・ベントリー、高温下で
のガス発生、および中性子照射による劣化をより一層低
減し、高い熱伝導率を有し、耐熱衝撃性および耐スパッ
タリング性に優れたプラズマ閉じ込め装置の第一壁等の
耐プラズマ用構造部材を構築できる。この効果は、特に
ＳｉＣを主成分とするマトリックスを反応焼結で形成し
た場合に最大限に発揮させることができる。

【００４６】また、この発明によれば、セラミックス基
繊維複合材料を熱伝導率の最も高い方向の表面を介して
プラズマからの高い熱流束を受けるように形成したた
め、熱伝導率の最も高い方向を積極的に活用して、プラ
ズマからの高い熱流束を受ける表面からの温度上昇をよ
り低く抑え、その表面近傍で発生する熱応力を効果的に
低減させることができ、これにより、高い信頼性を有す
る実用的な耐プラズマ用構造部材を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る耐プラズマ用構造部材を適用し
たプラズマ閉じ込め装置の要部構成を示す概略断面図。

【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿って第一壁周辺を見た概
略斜視図。

【図３】アーマーを成す複合材料の繊維配置状態を説明
する模式図。

【図４】第２実施形態のアーマーを成す複合材料の繊維
配置構造を説明する模式図。

【図５】第３実施形態のダイバータ板の要部構成を示す
概略斜視図。

【図６】ダイバータ板を成す複合材料の繊維配置状態を
説明する模式図。

【符号の説明】

１真空容器２第一壁３アーマー取付部材４アーマー支持座５アーマー取付ボルト６アーマー（この発明の耐プラズマ用構造部材を成
す）７冷却材用の往路８冷却材用の復路１０ＳｉＣ系マトリックス（アーマー用）１１、１１ａＳｉＣ系繊維（アーマー用）２０ダイバータ板２１基板２２冷却管２３板状体（この発明の耐プラズマ用構造部材を成
す）２４ＳｉＣ系マトリックス（ダイバータ板用）２５ＳｉＣ系繊維（ダイバータ板用）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大森順次神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４株式会社東芝京浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマからの熱流束を受ける耐プラズ
マ用構造部材において、ＳｉＣを主成分とするマトリッ
クスと、このマトリックス中に複合化させた繊維とを備
えたセラミックス基繊維複合材料で成り、このセラミッ
クス基繊維複合材料は、熱伝導率の最も高い方向の表面
を介して上記プラズマからの熱流束を受けるように形成
したことを特徴とする耐プラズマ用構造部材。
【請求項２】前記熱伝導率の最も高い方向は、前記繊
維の配置状態に基づいて制御した熱伝導率の最も高い方
向である請求項１記載の耐プラズマ用構造部材。
【請求項３】前記繊維は、ＳｉＣを主成分とする繊維
である請求項１又は２記載の耐プラズマ用構造部材。
【請求項４】前記ＳｉＣを主成分とするマトリックス
は、反応焼結で形成されたＳｉＣを主成分とするマトリ
ックスである請求項１乃至３のいずれか１項記載の耐プ
ラズマ用構造部材。