JPS61104291A - Vacuum vessel for nuclear fusion device and manufacture thereof - Google Patents

Vacuum vessel for nuclear fusion device and manufacture thereof

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JPS61104291A
JPS61104291A JP59225775A JP22577584A JPS61104291A JP S61104291 A JPS61104291 A JP S61104291A JP 59225775 A JP59225775 A JP 59225775A JP 22577584 A JP22577584 A JP 22577584A JP S61104291 A JPS61104291 A JP S61104291A
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JP
Japan
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metal member
vacuum vessel
hollow metal
nuclear fusion
ceramic
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Application number
JP59225775A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
久宣 岡村
鴨志田 陸男
浩 秋山
松坂 矯
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Publication of JPS61104291A publication Critical patent/JPS61104291A/en
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    • 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

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  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は新規な核融合装置用の真空容器に係り、特にそ
の真空容器の炉壁構造に関する。又、本発明はかかる真
空容器の製造方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a novel vacuum vessel for a nuclear fusion device, and particularly to the reactor wall structure of the vacuum vessel. The present invention also relates to a method for manufacturing such a vacuum container.

〔発明の背景〕[Background of the invention]

核融合装置として、例えばトーラス型核融合装置は、内
部にプラズマを閉じ込めるほぼ円環状の真空容器が設け
られる。真空容器には、プラズマを所定の空間に保持す
るための磁場を発生させるトロイダル磁場コイルが真空
容器を取り囲み、円環状の長さ方向に所定間隔で複数個
配置されている。更にプラズマのジュール加熱を行うと
ともに、プラズマの位置制御をするための磁場を発生さ
せるボロイダル磁場コイルが真空容器に沿って複数個配
置されている。
As a nuclear fusion device, for example, a torus type nuclear fusion device is provided with a substantially annular vacuum vessel that confines plasma therein. In the vacuum container, a plurality of toroidal magnetic field coils that generate a magnetic field for holding plasma in a predetermined space surround the vacuum container, and are arranged at predetermined intervals in the length direction of the annular shape. Furthermore, a plurality of voloidal magnetic field coils are arranged along the vacuum vessel to perform Joule heating of the plasma and to generate a magnetic field for controlling the position of the plasma.

このような核融合装置では、およそ1億度に達する高温
のプラズマを真空容器に閉じ込める必要がある。このよ
うな高温のプラズマから真空容器を保護するためにプラ
ズマと直接対向する位置に第−壁を設ける構造になって
いる。更に異常時に第−壁を保護するためリミタ−、ダ
イバータ等が設けられている。従って、第−壁、ダイバ
ータ等は、高真空中でプラズマ粒子等の相互作用による
損耗及び核融合反応で発生する高エネルギーの中性子や
ガンマ線の照射等厳しい条件下で使用される。このため
、%開昭55−94181に記載でれているように融点
の高いMO又はW等が冷却構造t■する金属体にボルト
によって憬伝的に固定されている。
In such a nuclear fusion device, it is necessary to confine high-temperature plasma reaching approximately 100 million degrees Celsius in a vacuum container. In order to protect the vacuum vessel from such high-temperature plasma, a third wall is provided at a position directly facing the plasma. Furthermore, a limiter, a diverter, etc. are provided to protect the third wall in the event of an abnormality. Therefore, the third wall, divertor, etc. are used under severe conditions such as wear and tear due to interaction with plasma particles in a high vacuum, and irradiation with high-energy neutrons and gamma rays generated in nuclear fusion reactions. For this reason, MO, W, or the like having a high melting point is traditionally fixed to a metal body of the cooling structure with bolts, as described in Japanese Patent Publication No. 55-94181.

MO又は〜V等は比較的原子番号が大きいためプラズマ
粒子によって、スパッタリングされた原子がプラズマ粒
子の中に入ってプラズマの温度を低下させるいわゆる不
純@特性が悪い欠点がある。
Since MO, ~V, etc. have a relatively large atomic number, they have a disadvantage of poor so-called impurity characteristics in which sputtered atoms enter the plasma particles and lower the plasma temperature.

更にMO又はW等は金属基体にボルトで固定されている
ため冷却能力が小さく高熱にさらされる核融合装置では
前述の不純物特性が更に低下する。
Furthermore, since MO, W, etc. are fixed to a metal base with bolts, the cooling capacity is small and in a nuclear fusion device exposed to high heat, the above-mentioned impurity characteristics are further deteriorated.

このため、原子番号の小さいセラミックスを前記金属基
体に冶金的に接合する積層構造の炉壁が望まれている。
For this reason, a furnace wall with a laminated structure in which a ceramic having a small atomic number is metallurgically bonded to the metal substrate is desired.

しかし、従来、セラミックスと金属とを冶金的に接合す
る場合両者の物理的性質、特に熱膨張率が大きく異なる
ため、接合過程又は     。
However, conventionally, when metallurgically joining ceramics and metals, the physical properties of the two materials, especially the coefficient of thermal expansion, are significantly different, so the joining process or...

熱的負荷を受ける便用条件下において熱応力が発生し、
セラミックス又は接合部に熱応力破壊が生しる。この熱
応力破壊はセラミックス及び金属基体が大きいほど顕著
になり、真空容器の炉壁のような大型金属基体にセラミ
ックスを冶金的に接合することは極めて困難であった。
Thermal stress occurs under convenient conditions under thermal load,
Thermal stress fracture occurs in ceramics or joints. This thermal stress fracture becomes more pronounced as the ceramic and metal substrates become larger, and it has been extremely difficult to metallurgically bond ceramics to large metal substrates such as the furnace wall of a vacuum vessel.

従来、セラミックスの熱応力破壊を防止する方法として
、セラミックスと金属との間に両者のほぼ中間の熱膨張
率を有するMo、W、コバール。
Conventionally, as a method for preventing thermal stress fracture of ceramics, Mo, W, and Kovar, which have a coefficient of thermal expansion approximately intermediate between ceramics and metals, have been used.

ファニー等の熱応力緩和材を介して接合を行っている。Bonding is performed using a thermal stress relieving material such as Fanny.

例えば特開昭58−176182号公報にはコバール又
は42Ni合金体を熱応力緩和材として用いることが記
載されている。
For example, JP-A-58-176182 describes the use of Kovar or 42Ni alloy bodies as thermal stress relaxation materials.

しかし、このような従来方法によるセラミックスと金属
との接合は、セラミックスの大きさに限界があるばかり
でなく、特に熱膨張率が3〜4×10−’/lel’ 
 と小さい非酸化物系のセラミックスの場合は接合が不
可能であった。
However, when bonding ceramics and metals using such conventional methods, not only is there a limit to the size of the ceramics, but especially when the coefficient of thermal expansion is 3 to 4 x 10-'/lel'
In the case of small non-oxide ceramics, bonding was impossible.

一方、セラミックスの場合は、一般に熱伝導率が小さい
ため、セラミックスの冷却効果を高める炉壁構造が望ま
れている。
On the other hand, since ceramics generally have low thermal conductivity, a furnace wall structure that enhances the cooling effect of ceramics is desired.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は熱応力が小さく、冷却特性の優れたセラ
ミックスと金属基体との積層構造からなる核融合装置用
の真空容器とその製造方法を提供するKある。
An object of the present invention is to provide a vacuum vessel for a nuclear fusion device having a laminated structure of ceramics and a metal substrate, which has low thermal stress and excellent cooling properties, and a method for manufacturing the same.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は核融合装置の真空容器において、前記真空容器
のプラズマ粒子にさらされる内側を構成する炉壁は分割
された多数の耐熱性セラミック・タイルと冷却構造を有
する金属基体との冶金的な接合による積層構造を有し、
前記セラミック・タイルと前記金属基体とは中間的な熱
膨張率を有する中空金属部材を介して冶金的に接合され
ていることを特徴とする核融合装置用の真空容器にある
The present invention provides a vacuum vessel for a nuclear fusion device, in which a furnace wall constituting the inside of the vacuum vessel exposed to plasma particles is formed by metallurgical bonding between a large number of divided heat-resistant ceramic tiles and a metal base having a cooling structure. It has a laminated structure,
The vacuum vessel for a nuclear fusion device is characterized in that the ceramic tile and the metal base are metallurgically joined via a hollow metal member having an intermediate coefficient of thermal expansion.

詳しくは中空金属部材の一端側にセラミック・タイルを
接合し、前記中空金属部材の他端側を大型金属基体に接
合することにより、大型金属基体とセラミックスとの熱
膨張率の相異に基づく熱応力を小さくシ、熱応力破壊を
防止できるように構成したものである。
Specifically, by bonding a ceramic tile to one end of the hollow metal member and bonding the other end of the hollow metal member to a large metal base, heat can be reduced due to the difference in thermal expansion coefficient between the large metal base and the ceramic. It is designed to reduce stress and prevent thermal stress fracture.

また、上記の真空容器を得るために、中空金属部材の一
端側にこの中空金属部材とセラミックスとの甲間の熱膨
張率を有する中間体を介し、て、中空金属部材とセラミ
ックスとを冶金的に接合し、その後、前記中空金属部材
の他端側を大型金属体に冶金的に接合するように構成し
たものである。
In addition, in order to obtain the above-mentioned vacuum container, the hollow metal member and the ceramics are connected metallurgically via an intermediate having a coefficient of thermal expansion between that of the hollow metal member and the ceramics on one end side of the hollow metal member. The other end of the hollow metal member is then metallurgically joined to a large metal body.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

WJ1図は本発明に係るセラミック・タイルト金属積層
構造の実施例を示す真空容器の断面図を、第2図はその
斜視図を示す。第1図及び第2図において炉壁体10は
、内面となる部分にタイル状のセラミックス12が配設
され、このセラミックス12は中間体14を介して中空
金属部材16に冶金的に接合されている。
Figure WJ1 is a sectional view of a vacuum vessel showing an embodiment of the ceramic tiled metal laminate structure according to the present invention, and Figure 2 is a perspective view thereof. In FIGS. 1 and 2, a furnace wall 10 has a tile-shaped ceramic 12 disposed on its inner surface, and this ceramic 12 is metallurgically joined to a hollow metal member 16 via an intermediate body 14. There is.

中間体14は中空金属部材16とセラミックス12との
中間の熱膨張率を有し、両者の熱膨張率の差による熱応
力の減少を図っている。また、中空金属部材16は外径
寸法がセラミックス12の縦又は横寸法よりやや小さな
リング状に形成され、セラミックスに接合されている他
端部のリングは大型金属基体20に穿設した接合孔に挿
入され、接合部22により大型金属基体20と冶金的に
接合される。大型金属基体20には、金属板24が冶金
的又は機械的に接合しである。この金属板24は凸部2
6を設けることにより冷却材通路28を形成している。
The intermediate body 14 has a coefficient of thermal expansion between that of the hollow metal member 16 and the ceramic 12, and is intended to reduce thermal stress due to the difference in coefficient of thermal expansion between the two. The hollow metal member 16 is formed into a ring shape whose outer diameter is slightly smaller than the vertical or horizontal dimensions of the ceramic 12, and the ring at the other end, which is joined to the ceramic, is inserted into a joining hole drilled in the large metal base 20. It is inserted and metallurgically joined to the large metal base 20 by the joining portion 22 . A metal plate 24 is metallurgically or mechanically bonded to the large metal base 20. This metal plate 24 has a convex portion 2
By providing 6, a coolant passage 28 is formed.

このため、中空金属部材16の中空部30は冷却材通路
と連通しである。
Therefore, the hollow portion 30 of the hollow metal member 16 communicates with the coolant passage.

上記の如く構成し九真空容器の炉壁体10は、セラミッ
クス12と大型金属基体20との接合が中空金属部材1
6を介して行われているため、セラミックス12と大型
金属基体20とは直接接合されておらず、セラミックス
12を大型金属基体20に複数個タイル状に接合した場
合でも熱応力は極めて小さく、セラミックス12の熱応
力破壊が生じない。しかも、中空金属部材16の中空部
30と冷却材流路28とは連通しているため、冷却材流
路28を流れる冷却材によりセラミックス12を強制的
に効率よく冷却できる。このため、セラミックス表面に
大きな熱負荷を与えた場合で      dも、セラミ
ックス12の熱的損傷を防止できる。
The furnace wall body 10 of the nine vacuum vessels constructed as described above has the ceramic 12 and the large metal base 20 joined to the hollow metal member 1.
6, the ceramics 12 and the large metal substrate 20 are not directly bonded, and even when a plurality of ceramics 12 are bonded to the large metal substrate 20 in the form of tiles, the thermal stress is extremely small. 12 thermal stress failure does not occur. Furthermore, since the hollow portion 30 of the hollow metal member 16 and the coolant flow path 28 are in communication, the ceramics 12 can be forcibly and efficiently cooled by the coolant flowing through the coolant flow path 28. Therefore, even when a large thermal load is applied to the ceramic surface, thermal damage to the ceramic 12 can be prevented.

第3図はセラミックス12と中空金属部材16との接合
状態を示す斜視図を、第4図は断面図を示す。セラミッ
クス12と中空金属部材16との接合は、前記した如く
セラミックス12と中空金属部材16とのほぼ中間の熱
I膨張率t−有する中間体14を介して行うことが望ま
しい。セラミックス12と中間体14との接合は、セラ
ミックス120表面を予めメタライズしておき、銀ろう
等のろう材32によって可能である。また、中間体14
と中空金属部材16との接合はろう材34を介して可能
である。
FIG. 3 is a perspective view showing a bonded state between the ceramic 12 and the hollow metal member 16, and FIG. 4 is a sectional view. It is preferable that the ceramic 12 and the hollow metal member 16 be bonded via the intermediate body 14 having a coefficient of thermal expansion t- which is approximately intermediate between that of the ceramic 12 and the hollow metal member 16, as described above. The ceramic 12 and the intermediate body 14 can be bonded by metalizing the surface of the ceramic 120 in advance and using a brazing material 32 such as silver solder. In addition, intermediate 14
The hollow metal member 16 can be joined to the hollow metal member 16 through a brazing material 34.

なお第5図に示す如く、中空金属部材16は中空部30
が有底孔となるように底部36をリング部16と一体と
なるよう形成することが望ましい。
As shown in FIG. 5, the hollow metal member 16 has a hollow portion 30.
It is desirable to form the bottom portion 36 integrally with the ring portion 16 so that the hole is a bottomed hole.

この中空金属部材は筒状が好ましく、特に円筒状が望ま
しい。
This hollow metal member is preferably cylindrical, particularly preferably cylindrical.

一方、中間体14は炭素繊維と銅との複合材が望ましい
。この複合材はファー二やコパール等に比較して熱伝導
率が大きいため、従来に比較して冷却効果を極めて大き
くすることができる。
On the other hand, the intermediate body 14 is preferably a composite material of carbon fiber and copper. Since this composite material has a higher thermal conductivity than Furniture, Copal, etc., it is possible to greatly increase the cooling effect compared to conventional materials.

炭素繊維と銅との複合材は、銅被覆した炭素繊維を複数
本束ね、これを2次元的に織った後約1000〜110
0Cで加圧しながら焼成することにより形成することが
できる。なお、中間体14に使用する前記複合体は、熱
膨張率がセラミックス側で小さく、中空金属部材16側
で大きくなるように、厚さ方向に連続的に又は段階的に
変化させることにより、セラミックス12に生ずる熱応
力をより一層小さくすることができる。前記複合体の熱
膨張率を厚さ方向に連続的又は段階的に変化させる場合
は炭素繊維の体積係が厚さ方向く異なるように積層する
ことにより可能である。
Composite materials of carbon fiber and copper are made by bundling multiple copper-coated carbon fibers and weaving them two-dimensionally.
It can be formed by firing while applying pressure at 0C. The composite used for the intermediate body 14 is made of ceramic by changing the coefficient of thermal expansion continuously or stepwise in the thickness direction so that the coefficient of thermal expansion is smaller on the ceramic side and larger on the hollow metal member 16 side. Thermal stress generated in the structure 12 can be further reduced. The coefficient of thermal expansion of the composite body can be changed continuously or stepwise in the thickness direction by laminating the carbon fibers so that the volume coefficients of the carbon fibers are different in the thickness direction.

中間体14の熱膨張率は8iC,5inN4等の非酸化
物系セラミックスをステンレス鋼又は鋼等に接合する場
合4〜12 X 10−’ICの間において連続的又は
段階的に変化しているのが望ましい。
When joining non-oxide ceramics such as 8iC, 5inN4 to stainless steel or steel, the coefficient of thermal expansion of the intermediate body 14 changes continuously or stepwise between 4 and 12 x 10-'IC. is desirable.

このような中間体14は、前記複合体中の炭素繊維の体
積鴫が、セラミックス12側の第1層において50〜6
0憾、第2層において30〜40憾となるよう積層する
ことにより得ることができる。このようにして得られた
複合材の室温における縦弾性係数は8〜10 X 10
 ” b/ M” 、熱伝導率は0.4〜0.5 ca
t/cm−s −Cである。
In such an intermediate body 14, the carbon fiber volume in the composite is 50 to 6 in the first layer on the ceramic 12 side.
It can be obtained by stacking the layers so that the second layer has a thickness of 30 to 40. The longitudinal elastic modulus of the thus obtained composite material at room temperature is 8 to 10 x 10
"b/M", thermal conductivity is 0.4-0.5 ca
t/cm-s-C.

中間体14が銅を被覆した炭素繊維の積層構造である場
合には、第5図に示すように中空金属部材16は底部3
6と一体に形成されていることが望ましい。
When the intermediate body 14 has a laminated structure of carbon fiber coated with copper, the hollow metal member 16 is attached to the bottom part 3 as shown in FIG.
It is desirable that it be formed integrally with 6.

この場合の接合方法は予めセラミックス】2の表面をメ
タライズ後、ろう材32.34によりセラミックス12
と中空金属部材16との間に中間体14を介して接合す
ることができる。
In this case, the joining method is to metalize the surface of ceramic 12 in advance, and then use the brazing filler metal 32.34 to
and the hollow metal member 16 can be joined via the intermediate body 14.

なお、セラミックスの種類によっては、予めセラミック
ス表面にメタライズせず、ろう材32゜34により接合
が可能である。
Note that depending on the type of ceramics, it is possible to join them using a brazing filler metal 32.degree. 34 without metalizing the surface of the ceramics in advance.

一方、中空金属部材16と大型金属基体2oとの接合は
第6図及び第7図に示す如く中空金属部材16を大型金
属基体20に形成した接合孔に挿入した後に接合部22
f:形成することにより行われる。従ってセラミックス
12は中空金属部材が大型金属基体20に直接接合され
ていないため、セラミックス12を破壊せずにタイル状
に多数のセラミックスを大型金属基体20に接合するこ
とができる。なお、大型金属基体20が極めて太きい場
合には、セラミックス12と中空金属部材16との接合
と中空金属部材16と犬を金属基体20との接合を同時
に行うことは極めて困難である。このような場合には、
中間体14を介してセラミックス12と中間金属部材1
6とを接合した後、中空金属部材16と大型金属基体2
0とを局部的な加熱が可能な溶融接合法により接合する
ことが望ましい。この局部的な刀口熱による溶融接合方
法は、アーク、プラズマ、電子ビーム、レーザ等を熱源
とすることが望ましく、熱的歪を最も少なくできる点に
おいて、電子ビーム又はレーザを熱源とすることが最も
望ましい。また、局部加熱源による局部的なろう付によ
っても接合が可能である。             
                。
On the other hand, the hollow metal member 16 and the large metal base 2o are joined together after the hollow metal member 16 is inserted into the joint hole formed in the large metal base 20, as shown in FIGS. 6 and 7.
f: Performed by forming. Therefore, since the hollow metal member of the ceramic 12 is not directly joined to the large metal base 20, a large number of ceramics can be joined to the large metal base 20 in the form of tiles without destroying the ceramic 12. Note that if the large metal base 20 is extremely thick, it is extremely difficult to bond the ceramic 12 and the hollow metal member 16 and to bond the hollow metal member 16 and the metal base 20 to the metal base 20 at the same time. In such a case,
Ceramic 12 and intermediate metal member 1 via intermediate body 14
6, the hollow metal member 16 and the large metal base 2 are joined together.
0 by a melting method that allows local heating. It is preferable to use an arc, plasma, electron beam, laser, etc. as the heat source for this fusion bonding method using local knife-edge heat, and it is best to use an electron beam or laser as the heat source in terms of minimizing thermal distortion. desirable. Furthermore, joining can also be achieved by local brazing using a local heating source.
.

第8図は、亀子ビーム38を用いて中空金属部材16と
大型金属基体20とを接合している状態を示したもので
ある。電子ビーム38は、中空金属部材16の周囲に沿
って接合部22を形成するように円形に回転させる。な
お、第8図に示すごとく、セラミック・タイル間には、
微小間1931が形成されるがこの間隙の厚さ方向に屈
曲部40を形成することにより、炉内の熱の外部への漏
洩を低減でき、炉の熱効率を高めることができる。
FIG. 8 shows a state in which the hollow metal member 16 and the large metal base 20 are joined using the turtle beam 38. The electron beam 38 is rotated in a circular manner to form a joint 22 around the circumference of the hollow metal member 16 . As shown in Figure 8, there are gaps between the ceramic tiles.
A small gap 1931 is formed, and by forming the bent portion 40 in the thickness direction of this gap, leakage of heat inside the furnace to the outside can be reduced, and the thermal efficiency of the furnace can be increased.

また、炉内に放射線が発生する場合には、放射線の漏洩
が減少して安全性の向上が図れる。また、この間隙の形
成は熱膨張によるセラミックスの損傷防止の効果もある
。なお、微小間隙31が直線的な場合、微小間隙に詰物
をすることにより、熱や放射線の漏洩を低減できる。
Furthermore, when radiation is generated within the reactor, leakage of radiation is reduced and safety can be improved. The formation of this gap also has the effect of preventing damage to the ceramics due to thermal expansion. Note that when the minute gap 31 is linear, leakage of heat and radiation can be reduced by filling the minute gap.

さらに、第8図に示した実施例においては、大型金属基
体20の金属板26との接合部に、金属板24の凸部2
6が嵌入される溝42が形成しである。このように金属
板24の凸部26を溝42に嵌入させることにより、冷
却材流路28が所定の位置に確実に形成することができ
る。なお、溝42は、第1図又は第7図に示した大型金
属枠体20にコ字状の金属部材を取り付けて形成しても
よい。
Furthermore, in the embodiment shown in FIG.
A groove 42 into which 6 is inserted is formed. By fitting the convex portion 26 of the metal plate 24 into the groove 42 in this manner, the coolant flow path 28 can be reliably formed at a predetermined position. Note that the groove 42 may be formed by attaching a U-shaped metal member to the large metal frame 20 shown in FIG. 1 or 7.

一方、前記のセラミックスは、低原子番号の元素からな
るものが望ましく、更に電気抵抗が大きく高熱伝導性の
ものが望ましい。特にぺIJ IJウム及びベリリウム
化合物の1種以上をべ17 +7ウム量で0.1〜5重
量重量重含0重]tqb以上が炭化珪素からなる焼結体
は、室温で0.4 cat1口・sec 7:以上の高
熱伝導率及び室温で10’ 9m 以上の電気抵抗率を
有し好ましいセラミックスである。
On the other hand, the above-mentioned ceramics are preferably made of elements with low atomic numbers, and more preferably have high electrical resistance and high thermal conductivity. In particular, a sintered body containing at least one of silicon carbide and beryllium compounds with an amount of 0.1 to 5 tqb or more of silicon carbide in an amount of 0.4 cat at room temperature - sec 7: It is a preferred ceramic having a high thermal conductivity of 10'9m or more and an electrical resistivity of 10'9m or more at room temperature.

実施例1 セラミックス12としてBeOを約2係含有する8iC
焼結体を用いて次のようなセラミック・タイルと金属基
体との冶金的接合構造の核融合炉用真空容器t−製作し
た。
Example 1 8iC containing approximately 2% BeO as ceramic 12
Using the sintered body, a vacuum vessel for a nuclear fusion reactor with the following metallurgical joint structure of ceramic tiles and metal substrate was fabricated.

SiC焼結体は、50mX50■×10ツのタイル状の
板である。中空金属部材16は、ステンレス鋼を機械加
工により製作した底部36を有しておシ、底部36の寸
法はセラミックスと同じ50mgX50−で、厚さが1
眉である。中空金属部材16のリング部の外径は45m
、内径は43鵡、高さは4聾である。中間体14は、炭
素繊維と銅との複合材であって、炭素繊維の体積が35
俤で厚さ1間のものと、炭素繊維の体積が45係で厚さ
1wRのものをそれぞれ高温において積層し、厚さ2簡
の複合材とした。熱膨張係数は前者が10 X 10−
’/C,後者が6 X 10−’/l:”である。
The SiC sintered body is a tile-shaped plate measuring 50 m x 50 cm x 10 pieces. The hollow metal member 16 has a bottom part 36 manufactured by machining stainless steel, and the dimensions of the bottom part 36 are the same as those of ceramics, 50 mg x 50 mm, and the thickness is 1 mm.
It's the eyebrows. The outer diameter of the ring portion of the hollow metal member 16 is 45 m.
, the inner diameter is 43 mm, and the height is 4 mm. The intermediate body 14 is a composite material of carbon fiber and copper, and the volume of the carbon fiber is 35.
A composite material with a thickness of 1 mm and a material with a carbon fiber volume of 45 mm and a thickness of 1 wR were laminated at high temperature to form a composite material with a thickness of 2 layers. The thermal expansion coefficient of the former is 10 x 10-
'/C, the latter being 6 x 10-'/l:''.

また、熱伝導率は、積層した状態において約0.5Ca
t/crIK・s−Cである。大型金属枠体20は、5
00+uX500mX8wRのSUS 316を用い、
これに中空金属部材16が挿入される側の直径が45.
2m、金属板24に面する側の直径が37=の段付孔を
100個穿設した。
In addition, the thermal conductivity is approximately 0.5Ca in the stacked state.
t/crIK・s-C. The large metal frame 20 has 5
Using SUS 316 of 00+uX500mX8wR,
The diameter of the side where the hollow metal member 16 is inserted is 45.
100 stepped holes with a length of 2 m and a diameter of 37= on the side facing the metal plate 24 were bored.

SiC焼結体(セラミックス12)と中空金属部材16
との接合は、第5図に示す如<SiC焼結体と中間体1
4との間、及び中間体14と中空金属部材16との間に
それぞれ40wt%のマンガンと残部が銅とからなる5
0Amのろう材を介し、アルゴン雰囲気内で5にグ/d
で加圧しながら、高周波加熱により880cまで加熱し
、約1秒間保持した後、自然冷却することによって行っ
た。
SiC sintered body (ceramics 12) and hollow metal member 16
The bonding process is as shown in FIG.
4 and between the intermediate body 14 and the hollow metal member 16, each of which contains 40 wt% manganese and the balance copper.
5 g/d in an argon atmosphere through a 0 Am brazing filler metal.
The test was carried out by heating to 880C by high frequency heating while pressurizing the sample, holding it for about 1 second, and then cooling naturally.

次に、上記の方法によりタイル状のSIC焼結体が冶金
的に接合された中空金属部材16の他端を、大型金属基
体20の孔に100個挿入し、SiC焼結体とは反対側
から電子ビーム38により、冶金的接合部22y&:形
成した。この際、大型金属基体20は固定し、電子ビー
ム38′t−磁界により円形状に回転して接合した。ま
た、電子ビーム38はできるかぎシ中空金属部材16の
先端部だけを局部的に溶融して大型金属基体20に接合
するように、照射位置を調節した。その後、大型金属枠
体20に第1図に示す如く凸部26を有する厚さ3醪の
5US304の金属板24をボルトにより固定した。以
上のような500■×500フの大型金属体にセラミッ
ク・タイルを積層したものを100個製作し、核融合装
置用の真空容器を製作した。前記方法により、得られた
真空容器の熱的損傷を調べるため、セラミックス表面に
      d500 W/crIiのプラズマ熱を1
00秒の周期で1000回照射した。なお、この場合、
冷却材流路28に811分の水を流した。この試験の結
果、該SiC焼結体の表面温度は約600C,接合部は
約3000になったが、セラミックス及び接合部の破壊
は全く認められなかった。
Next, 100 other ends of the hollow metal members 16 to which the tile-shaped SIC sintered bodies have been metallurgically joined by the above method are inserted into the holes of the large metal base 20, and A metallurgical joint 22y&: was formed by an electron beam 38. At this time, the large metal base 20 was fixed and rotated into a circular shape by the electron beam 38't-magnetic field to join. Further, the irradiation position of the electron beam 38 was adjusted so that only the tip of the hooked hollow metal member 16 was locally melted and joined to the large metal base 20. Thereafter, as shown in FIG. 1, a metal plate 24 made of 5US304 and having a thickness of 3 mm and having a convex portion 26 was fixed to the large metal frame 20 with bolts. A vacuum vessel for a nuclear fusion device was manufactured by manufacturing 100 large metal bodies of 500cm x 500cm with ceramic tiles laminated as described above. In order to examine the thermal damage of the vacuum vessel obtained by the above method, plasma heat of d500 W/crIi was applied to the ceramic surface at 1
Irradiation was performed 1000 times with a period of 00 seconds. In this case,
811 minutes of water was flowed through the coolant channel 28. As a result of this test, the surface temperature of the SiC sintered body was about 600C and the temperature of the joint was about 3000C, but no destruction of the ceramics or the joint was observed.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

従来の大型金属基体とセラミックスとを焼ばめ等の機械
的に接合した場合には、加えるプラズマ熱の限界が80
 W / crA程度であったが、・本実施例の如く構
成することにより大幅に向上することができた。また、
従来は10wX10■程度のセラミックスを貼ったもの
しか作ることができなかったが、不発明により、10I
loI角以上のセラミックスでも大型金属枠体に複数個
のセラミックスを貼ることができる。
When conventional large metal substrates and ceramics are mechanically joined by shrink fitting, the limit of plasma heat applied is 80°C.
Although it was about W/crA, it was able to be significantly improved by configuring it as in this example. Also,
Previously, it was only possible to make ceramics with a size of about 10W
Even if the ceramic is larger than the loI angle, a plurality of ceramics can be attached to a large metal frame.

このように、本発明によれば大型金属枠体に接合した場
合のセラミックス及び接合部の熱応力破壊を防止するこ
とができ、かつ長寿命の高信頼性核融合装置用真空容器
を得ることができた。
As described above, according to the present invention, it is possible to prevent thermal stress fracture of ceramics and joints when joined to a large metal frame, and to obtain a long-life, highly reliable vacuum vessel for a fusion device. did it.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明に係るセラミック・タイル構造の核融合
装置用真空容器の実施例の断面図であって、第2図のI
−INに沿う断面図、第2図は本発明に係るセラミック
スの接合部分を切シ欠いた斜視図、第3図はセラミック
スと中空金属部材との接合状態を示す斜視図、第4図は
第3図のIV−■線に沿う断面図、第5図は中空金属部
材の他の実施例を示す断面図、第6図はセラミックスを
接合した中空金属部材を大型金属枠体の接合孔に挿入し
た状態を示す斜視図、第7図は中空金属部材と大型金属
枠体との接合方法を示す断面図、第8図は本発明に係る
核融合装置用真空容器の実施例を示す断面図である。 10・・・炉壁体、12・・・セラミックス、14・・
・中間体、16・・・中空金属部材、20・・・大型金
属基体、24・・・金属板、28・・・冷却材流路、3
o・・・中空部。
FIG. 1 is a sectional view of an embodiment of a vacuum vessel for a nuclear fusion device having a ceramic tile structure according to the present invention, and shows
-IN; FIG. 2 is a cutaway perspective view of the bonded portion of the ceramic according to the present invention; FIG. 3 is a perspective view showing the state of bonding between the ceramic and the hollow metal member; 3 is a sectional view taken along line IV-■, FIG. 5 is a sectional view showing another example of the hollow metal member, and FIG. 6 is a hollow metal member bonded with ceramics inserted into a joining hole of a large metal frame. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a method of joining a hollow metal member and a large metal frame, and FIG. 8 is a cross-sectional view showing an embodiment of the vacuum vessel for a nuclear fusion device according to the present invention. be. 10...Furnace wall body, 12...Ceramics, 14...
- Intermediate body, 16... Hollow metal member, 20... Large metal base, 24... Metal plate, 28... Coolant channel, 3
o...Hollow part.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、核融合装置のプラズマ粒子封入用真空容器において
、前記真空容器のプラズマ粒子にさらされる内側の炉壁
は、分割された多数の耐熱性セラミック・タイルと強制
的に冷却される大型金属基体とが中空金属部材を介して
冶金的に接合された積層構造をなすものであつて、かつ
隣接するセラミック・タイル間には所定の間隙が形成さ
れていることを特徴とする核融合装置用真空容器。 2、前記大型金属基体は冷却材流路を有しており、この
冷却材流路が前記中空金属部材の中空部と連通している
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の核融合
装置用真空容器。 3、前記中空金属部材と前記セラミックス・タイルとの
間に両者の中間の熱膨張率を備えた中間体を介して接合
されていることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の核融合装置用真空容器。 4、前記中間体は熱膨張率が前記セラミックス側から前
記中空金属部材側に連続的または段階的に大きくなつて
いる中間体であることを特徴とする特許請求の範囲第3
項記載の核融合装置用真空容器。 5、前記中間体は、銅に30〜60体積%の炭素繊維を
埋め込んだ複合材により構成されていることを特徴とす
る特許請求の範囲第3項記載の核融合装置用真空容器。 6、中空金属部材の一端部とセラミックス・タイルとを
中間体を介して接合した後、中空金属部材の他端部を冷
却材流路を備えた大型金属基体に形成した結合孔に挿入
し、この大型金属基体と前記中空金属部材とを接合する
ことを特徴とする核融合装置用真空容器の製造方法。
[Claims] 1. In a vacuum vessel for encapsulating plasma particles in a nuclear fusion device, the inner furnace wall of the vacuum vessel exposed to plasma particles is forcibly cooled with a large number of divided heat-resistant ceramic tiles. It has a laminated structure in which a large metal base is metallurgically joined via a hollow metal member, and a predetermined gap is formed between adjacent ceramic tiles. Vacuum vessel for nuclear fusion equipment. 2. The large metal base body has a coolant flow path, and the coolant flow path communicates with the hollow part of the hollow metal member, as set forth in claim 1. Vacuum vessel for nuclear fusion equipment. 3. The nuclear fusion according to claim 1, wherein the hollow metal member and the ceramic tile are joined via an intermediate having a coefficient of thermal expansion between the two. Vacuum container for equipment. 4. Claim 3, wherein the intermediate body is an intermediate body whose coefficient of thermal expansion increases continuously or stepwise from the ceramic side to the hollow metal member side.
A vacuum vessel for a nuclear fusion device as described in . 5. The vacuum vessel for a nuclear fusion device according to claim 3, wherein the intermediate body is made of a composite material in which 30 to 60% by volume of carbon fibers are embedded in copper. 6. After joining one end of the hollow metal member and the ceramic tile via an intermediate, inserting the other end of the hollow metal member into a bonding hole formed in a large metal base provided with a coolant flow path, A method for manufacturing a vacuum vessel for a nuclear fusion device, characterized by joining the large metal base and the hollow metal member.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6302966B1 (en) * 1999-11-15 2001-10-16 Lam Research Corporation Temperature control system for plasma processing apparatus
US6408786B1 (en) * 1999-09-23 2002-06-25 Lam Research Corporation Semiconductor processing equipment having tiled ceramic liner

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