KR101242871B1 - 핵융합로용 제1벽 부품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵융합로의 제1벽 부품에 관한 것이다. 이러한 부품은 플라즈마를 향해 기울어진 A 영역 및 상기 A 영역과 대향되게 위치한 B 영역을 구비하고 그래파이트 재료로 구성되는 하나 이상의 열차폐막을 포함한다. 열차폐막은 A면 또는 B면에서 종결되고 냉각관의 축 방향으로 본질적으로 지향된 하나 이상의 슬롯을 포함한다. 부품은 제조 및 열사이클로 인해 발생하는 기계적 응력을 적합하게 감당한다.

핵융합로, 냉각매질, 응력, 플라즈마, 열전도율, 구리

Description

핵융합로용 제1벽 부품{FIRST WALL COMPONENTS FOR A FUSION REACTOR}

본 발명은 핵융합로의 제1벽 부품에 관한 것으로서, 상기 제1벽 부품은 그래파이트 재료로 구성된 차폐 또는 개방 인도부(closed or open leadthrough)를 구비하는 하나 이상의 열차폐막(heat shield)과, 냉각제가 내부를 유동하고 상기 열차폐막과 적어도 부분적으로 재료 접합되며 200 W/mㆍK 을 초과하는 열전도율을 갖는 재료로 구성되는 냉각관(cooling tube)을 포함한다.

이러한 유형의 제1벽 부품의 용도의 전형적인 예는 10 mW/㎡ 이상의 최대 잠재 열하중에 노출되는 다이버터(diverter)와 리미터(limiter)이다. 제1벽 부품은 열차폐막과 방열부를 일반적으로 포함한다. 열차폐막의 재료는 플라즈마와 공용할 수 있어야 하고, 물리적 스퍼터링 및 화학적 스프터링에 대해 높은 저항을 가져야 하고, 높은 용융점/승화점을 가져야 하며, 열충격에 대해 최대한 강해야 한다. 또한, 이들은 우수한 가용도(availability) 및 수용 가능한 비용과 더불어 높은 열전도율, 낮은 중성자 방사성(neutron activatability) 및 충분한 강도/파괴인성을 갖추어야 한다. 내화 재료에 더하여, 예를 들어 텅스텐, 그래파이트 재료(예를 들어, 섬유 강화 그래파이트)는 이러한 다양하고 때로는 상호 모순적인 요구 사항을 최적으로 실행한다. 플라즈마로부터의 에너지 유동이 장기간 이들 부품에 작용하므로, 이러한 유형의 제1벽 부품은 일반적으로 능동 냉각된다. 열 배출은 예를 들어 구리 또는 구리 합금을 포함하고 상기 열차폐막에 통상 기계적으로 연결되는 히트싱크에 의해 보조된다.

제1벽 부품은 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 명세서에서의 전형적인 형태는 모노블록 형태(monobloc design)로 알려진 것이다. 모노블록 형태에 있어서, 제1벽 부품은 동심 보어(concentric bore)를 구비한 열차폐막을 포함한다. 열차폐막은 이러한 동심 보어를 통해 냉각관에 연결된다.

제1벽 부품은 열 유도 응력뿐만 아니라 추가로 발생하는 기계적 응력도 견뎌야 한다. 이러한 추가 기계적 하중은, 부품 내에서 흐르고 주변 자기장과 상호 작용하는 전자기 유도 전류를 통해 발생될 수 있다. 이 경우에 있어서, 열차폐막, 다시 말해서 예를 들어 그래파이트 재료에 의해 전송되어야 하는 고주파 가속력이 발생할 수 있다. 하지만, 그래파이트 재료는 낮은 기계적 강도와 파괴인성을 갖는다. 아울러, 사용 중에 중성자 취화(neutron embrittlement)가 발생하므로, 균열 생성(crack introduction)에 관한 이들 재료의 민감도(sensitivity)가 추가적으로 증가한다. 섬유 강화 그래파이트(CFC)는 일반적으로 그래파이트 재료로서 채택된다. 이러한 경우에 섬유 강화는 3차원 및 선형적으로 배치된다. 섬유의 구조는 방향에 따라서 재료에 다양한 특성을 제공한다. 섬유 강화 그래파이트(CFC)는 최대 강도와 최대 열전도율 모두를 갖는 Ex-pitch 섬유(Ex-pitch fiber)에 의해 일 방향으로 일반적으로 강화된다. 여타 2개의 방향은 Ex-PAN 섬유(Ex-PAN fiber)에 의해 강화되며, 하나의 방향만이 통상적으로 재봉된다. 따라서, 섬유 강화 그래파이트(CFC)가 선형 재료 구조를 가지는 반면에, 열차폐막/냉각관 결합 지오메트리는 원형이다. 사용되는 재료의 상이한 열팽창계수로 인하여, 제조 과정 중에 섬유 강화 그래파이트(CFC)의 균열로 이어질 수 있는 응력 조성(stress build-up)이 발생한다. 이러한 균열은 검출 가능한 경우라도 사용되는 지오메트리 조건과 재료 조합으로 인하여 매우 복잡한 방법에 의해서만 가능하다. 이는 무엇보다도 균열/박리가 주요 사건에 대한 잠재 유발인자로 간주되므로, 이러한 부품을 위한 핵 환경의 배경에 대해 대응하는 문제점을 제공한다.

제1벽 부품 분야에서의 복잡하고 오랜 개발 활동에도 불구하고, 현재 이용 가능한 부품은 요구 사항을 최적으로 충족시키지 못한다.

따라서, 본 발명의 목적은 기계적 응력에 기인한 요건을 적합하게 만족시킬 수 있는 제1벽 부품을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 특허청구범위 제1항의 특징부에 따라 달성된다. 제1벽 부품은 플라즈마를 향해 경사진 A면과 이와 대향되게 위치하는 B면을 구비하며 그래파이트 재료로 형성되는 하나 이상의 열차폐막을 포함한다. 열차폐막은 냉각관의 축 방향으로 바라볼 경우 A면 또는 B면에서 종결되며 상기 열차폐막의 길이부를 따라 본질적으로 이어지는 하나 이상의 슬롯을 구비한다. 슬롯 바닥부의 영역에서의 최대 슬롯 너비는 D/2을 넘지 않는 것이 바람직하며, 여기서 D는 냉각관의 외경이다. 실시예에 한층 자세하게 기재된 테스트는 본 발명에 따른 부품이 제품 및 열사이클 모두로 인해 발생한 기계적 응력을 적합하게 대처함을 보여준다. 슬롯은 A면 또는 B면에 대해 대략 수직으로 이어지는 것이 바람직하다. 이어서, 슬롯 깊이는 A면 또는 B면과 냉각관의 가장 인접한 표면(nearest surface)간의 거리의 절반 이상인 것이 바람직하다. 슬롯은 u/2 ≤ x ≤ u의 깊이(x)를 가지며, 여기서 u는 열차폐면과 냉각관 사이의 최소 간격이다. 슬롯 깊이(x)를 위한 특히 바람직한 범위는 u/2 ≤ x ≤ 9u/10이며, 여기서 u는 수직 방향으로 측정된 A면 또는 B면과 가장 인접한 냉각관 표면 사이의 거리이다. 하지만, 슬롯은 냉각관까지 연장하거나, 또는 상기 냉각관을 둘러싸는 연성층(ductile layer)까지 연장할 수 있다. 이 경우에, 열차폐막은 차폐 인도부가 아니라 개방 인도부를 구비한다. 원형 단면을 갖는 냉각관이 일반적으로 사용되므로, 인도부 역시 원형 단면을 갖는다.

10 ㎛의 최소 슬롯 너비는, 예를 들어 다이아몬드 톱 방법(diamond saw method) 또는 와이어 절삭(wire cutting)과 같이 그래파이트 재료에 사용 가능한 절삭 방법의 결과로서 획득된다. 바람직한 최대 슬롯 너비는 D/3이다. 슬롯 하단부에서의 응력 피크(stress peak)를 방지하기 위하여, 0.5 × 슬롯 너비의 범위의 반경을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 슬롯이 B면에서 중단되면, 사용 중에 플라즈마를 향한 면 상의 슬롯의 영역에서 약간의 침식이 발생한다. 또 다른 바람직한 예는 단일 슬롯 변형예이며, 슬롯은 냉각관 중심점을 향해 지향된다. 실시예에 도시된 바와 같이, 2개 또는 3개의 슬롯의 사용은 제조 및 열사이클 중에 발생하는 응력을 상당 정도로 감소시킨다. 본 발명에 따른 슬롯과 열차폐막용 섬유 강화 그래파이트(CFC)의 조합은, 특히 Ex-pitch 섬유가 A면에 대해 대략 수직으로 지향되고 Ex-PAN 섬유가 냉각관의 축에 평행하게 지향되며 재봉된 Ex-PAN 섬유가 냉각축에 대해 방사상으로 지향되는 경우에, 특히 바람직한 조합 효과로 이어진다. 바람직하게는, 최대 강도를 갖는 섬유와 슬롯은 최대 20°의 방향 편향(orientation deviating)을 갖는다. 경제적인 이유와 높은 열전도율로 인해, 냉각관에 대한 구리 합금의 사용이 바람직하다. 아울러, 부품 내의 응력은 냉각관과 열차폐막 사이에 매우 부드러운 층(경도 < 200 HV)을 도입함으로써 감소할 수 있다.

본 발명은 도 1 내지 도 7 및 실시예를 참조로 하여 아래에 예시적으로 기재되고 설명된다.

도 1은 슬롯을 구비한 본 발명에 따른 부품의 사시도를 도시한 도면이다.

도 2는 도 1에 따른 부품의 평면도를 도시한 도면이다.

도 3은 도 1에 따른 부품의 단면도 및 섬유 강화 그래파이트(CFC) 섬유 방향을 도시한 도면이다.

도 4는 2개의 슬롯을 구비한 본 발명에 따른 부품의 사시도를 도시한 도면이다.

도 5는 도 4에 따른 부품의 평면도를 도시한 도면이다.

도 6은 도 4에 따른 부품의 단면도 및 섬유 강화 그래파이트(CFC) 섬유 방향을 도시한 도면이다.

도 7은 V형 슬롯을 구비한 본 발명에 따른 부품의 평면도를 도시한 도면이다.

실시예 1

도 1 내지 도 3에 따른 제1벽 부품(1)은 다음과 같이 제조된다: 보어(4)를 구비한 모노블록 형태의 열차폐막(2)은 섬유 강화 그래파이트(CFC) 블록으로부터 가공되며, 고강도 Ex-pitch 섬유는 최대 열전도율 방향으로 위치하고, Ex-PAN 섬유는 냉각관의 축에 평행하게 위치하며 재봉된 Ex-PAN 섬유는 냉각축의 방향으로 위치한다. 개별 모노블록의 치수는 40 mm (Ex-pitch), 30 mm (Ex-PAN) 및 20 mm (재봉된 Ex-PAN)이다. 보어(4)의 직경은 14 mm이고 열차폐막(2)의 대칭 중심(9)에 배치된다. 추가 가공 전에, 보어(4)의 벽이 레이저에 의해 구조화되며, 이로 인해 다수의 원뿔형 구멍이 섬유 강화 그래파이트(CFC)에 도입된다. 이러한 구멍은 대략 0.5 mm의 깊이와 0.2 - 0.3 mm의 표면 상의 개구부를 일반적으로 구비한다. 간격은 보어 벽(bore wall)의 표면이 최대화되도록 선택된다. 플라즈마 반대 방향으로 지향된 측면(6) 상에는, 0.3 mm의 슬롯 너비를 갖는 슬롯(7)이 와이어 절삭에 의해 열차폐막(2)에 도입된다. 이러한 슬롯(7)은 열차폐막(2)의 대칭축에 위치하며 플라즈마 반대 방향으로 지향된 표면(6)으로부터 중심 배치 보어(4)로 이어진다. 이어서, 보어(4)는 캐스팅 공정을 통해 예를 들어 티타늄과 같은 카바이드 포머(carbide former)의 존재 하에서 무산소 구리(oxygen-free copper)로 충전된다. 공정은 열차폐막(2)에 이미 도입된 0.3 mm 너비의 슬롯(7)이 상기 캐스팅 공정 중에 구리에 의해 적셔지지 않도록 수행된다. 캐스팅 공정 이후에, 슬롯(7)의 플랭크(flank)는 가공 상태와 비교할 시 더욱 작은 이격을 갖는다. 이러한 사실은 발생한 응력이 변형으로 변환됨을 보여준다. 이는 이러한 방법으로 인한 부품(1)의 기능적 능력과 바람직한 특성이 소실되지 않은 상태에서 응력 감소로 이어진다. 백업 상태(backed-up state)에서의 CFC/Cu 계면의 시각 및 금속조직 평가(visual and metallographic assessment)는 섬유 강화 그래파이트(CFC)/구리 복합재에서의 잠재 층간분리(delamination)에 대한 어떠한 징후도 제시하지 않는다.

이에 따라 획득된 구리 충전 보어(4)가 이후 기계적 가공을 받으므로, 12.5 mm의 직경을 갖는 보어와 이로 인한 대략 0.5 - 1.0 mm 두께의 구리층이 섬유 강화 그래파이트(CFC)에 잔류한다. 이에 따라 획득되며 슬롯(7)을 구비하는 3개의 열차폐막(2)은 12 mm의 직경을 갖는 CuCrZr 합금을 포함하여 구성된 냉각관(3)으로 활주되어 금속 캔 내부로 도입된다. 상기 캔의 용접 이후에, 캔은 진공처리되고 흡입-배출 결합편(suction-extraction connection piece)이 이후 진공 밀봉된다. 이러한 방식으로 밀봉된 부품은 550℃ 및 1000 bar에서 열간정수압소결 공정(HIP process)을 받는다. 이러한 공정 중에, 재료 결합이 CuCrZr 관(3)과 섬유 강화 그래파이트(CFC) 모노블록(2)의 보어(4) 내부의 구리층 사이에서 발생한다. 또한, CuCrZr 재료의 경화 역시 발생하며, 그 결과 냉각관(3) 내에서의 우수한 기계적 특성이 달성될 수 있다. 결합 공정 이후에, 캔이 제1벽 부품(1)으로부터 제거되어 획득된다. 시각 평가는, 예를 들어 층간박리와 같은 결합에 대한 어떠한 징후도 제시하지 않는다. 내부 튜브 탐침자(inner tube probe)를 사용하여 추가로 수행된 초음파 테스트는 완벽한 계면을 보여준다.

결론적으로, 이러한 제1벽 부품(1)은 진공플라즈마용사 플랜트(VPS plant)의 플라즈마를 받는다. 이 경우에, 부품(1)은 플랜트에 존재하는 냉각수 시스템에 연결되며 플랜트 내에 설치된 로봇의 그리핑 암(gripping arm)에 의해 지지된다. 10 - 15 MW/㎡ 범위의 열유동은 유동 속도, 냉각매질의 온도 상승 및 플라즈마에 의해 작용된 표면(5)에 의해 결정된다. 전체적으로, 부품(1)은 약 100번의 플라즈마를 통한 운동에 의해 사이클된다. 운동 중에, 부품(1)은 냉각수의 온도가 더 이상 가열되지 않을 때까지 플라즈마 내에서 지지된다. 이러한 테스트 이후에, 부품(1)은 파괴 검사를 받는다. 조사된 열차폐막(2)에서 균열이 검출되지 않는다는 사실을 알 수 있으며, 이는 본 발명에 따르지 않은 부품에서는 아직 달성될 수 없는 점이다.

실시예 2

또 다른 부품(1)이 실시예 1에 따라 제조된다. 이어지는 검사에서, 슬롯 가공된 표면이 플라즈마에 노출된다. 제시된 검사는 실시예 1에서의 검사와 유사한 결과를 보여주며, 차이점은 슬롯(7) 부근에서 약간의 부식이 발생한다는 점이다.

실시예 3

도 1 내지 도 3에 따른 제1벽 부품(1)은 다음과 같이 제조된다: 보어(4)를 구비한 모노블록 형태의 열차폐막(2)은 섬유 강화 그래파이트(CFC) 블록으로부터 가공되며, 고강도 Ex-pitch 섬유는 최대 열전도율 방향으로 위치하고, Ex-PAN 섬유는 냉각관의 축에 평행하게 위치하며 재봉 Ex-PAN 섬유는 냉각축 방향으로 위치한다. 개별 모노블록의 치수는 실시예 1의 치수에 대응한다. 보어 및 레이저 구조화의 도입 역시 실시예 1에 기재된 바와 같이 발생한다. 플라즈마 반대 방향으로 지향된 측면(6) 상에서, 0.3 mm의 슬롯 너비를 갖는 슬롯(7)이 와이어 절삭에 의해 열차폐막(2)에 도입된다. 이러한 슬롯(7)은 열차폐막(2)의 대칭축에 위치하며 보어(4)를 관통한다. 보어(4)는 실시예 1과 유사한 방식으로 무산소 구리로 충전되며, 기계적 가공을 받은 후 CuCrZr 합금을 포함하여 구성된 냉각관(3)에 솔더링에 의해 연결되며, 상기 솔더링 온도는 CuCrZr의 용액 열처리온도(970℃) 범위이다. 상기 솔더링 온도로부터 400℃ 이하로의 냉각이 1 K/sec을 초과하는 냉각률로 일어나며, 그 결과 최적의 강도 수치가 이어지는 475℃/3h의 시효경화 중에 달성될 수 있다. 이에 따라 제조된 복합재는 실시예 1에 따른 열사이클 이후에 균열이 발생하지 않는다.

실시예 3a

도 4 내지 도 6에 따른 제1벽 부품(1)은 다음과 같이 제조된다: 보어(4)를 구비한 모노블록 형태의 열차폐막(2)은 섬유 강화 그래파이트(CFC) 블록으로부터 가공되며, 고강도 Ex-pitch 섬유는 최대 열전도율 방향으로 위치하고, Ex-PAN 섬유는 냉각관의 축에 평행하게 위치하며 재봉 Ex-PAN 섬유는 냉각축 방향으로 위치한다. 개별 모노블록의 치수는 실시예 1의 치수에 상응한다. 보어 및 레이저 구조의 도입 역시 실시예 1에 기재된 바와 같이 발생한다. 플라즈마 반대 방향으로 지향된 측면(6) 상에는, 0.3 mm의 슬롯 너비를 갖는 2개의 슬롯(7)이 와이어 절삭에 의해 열차폐막(2)에 도입된다. 이러한 슬롯(7)은 열차폐막(2)의 대칭축에 거울 대칭으로 위치한다. 개개의 슬롯(7)은 0.8 u의 깊이(x)를 가지며, 여기서 u는 열차폐면(5)과 냉각관(3) 사이의 최소 간격이다. 이후, 보어(4)는 실시예 1에서와 유사한 방식으로 무산소 구리로 충전되며, 기계적 가공을 받은 후 CuCrZr 합금을 포함하여 구성된 냉각관(3)에 실시예 3의 순서에 따른 솔더링에 의해 재료 접합된다. 이에 따라 제조된 복합재는 실시예 1에 따른 열사이클 이후에 균열이 발생하지 않는다.

실시예 4

도 7에 따른 제1벽 부품(1)은 다음과 같이 제조된다: 모노블록은 실시예 1에 따라 제조된다. 플라즈마 반대 방향으로 지향된 측면(6)에는, 도 7에 도시된 바와 같이 V형 슬롯(7)이 와이어 절삭에 의해 도입된다. 실시예 1에 기재된 바와 같이, 추가 제조 단계가 진행된다. 이에 따라 제조된 복합재는 실시예 1에 따른 열사이클 이후에 균열이 발생하지 않는다.

본 발명은 핵융합로용 제1벽 부품에 이용될 수 있다.

Claims (16)

1. 그래파이트 재료로 구성되는 하나 이상의 열차폐막(2)과,

   내부를 통해 냉각제가 유동하며, 상기 열차폐막(2)과 적어도 부분적으로 재료 결합하고, 200 W/mㆍK을 초과하는 열전도율을 갖는 재료로 구성되며, 외경(D)을 갖는, 냉각관(3)을 포함하는 핵융합로의 제1벽 부품(1)으로서,

   상기 열차폐막(2)은 차폐 또는 개방 인도부(4), 플라즈마를 향해 경사진 A면(5), 그 A면과 대향되게 위치한 B면(6), 길이(l) 및 너비(b)를 갖는 핵융합로의 제1벽 부품에 있어서,

   상기 열차폐막(2)은, 본질적으로 상기 길이(l)에 걸쳐 연장되며 상기 A면(5) 또는 B면(6)에서 종결되는 하나 이상의 슬롯(7)을 구비하는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).
2. 제1항에 있어서,

   슬롯 바닥부에서의 최대 슬롯 너비(y)는 D/2인 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   A면(5) 또는 B면(6) 상에서 종결되는 슬롯(7)은 개개의 A면(5) 또는 B면(6)에 대해 본질적으로 수직하게 연장되는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   슬롯(7)은 u/2 ≤ x ≤ u의 깊이(x)를 가지며, 여기서 u는 열차폐면(5, 6)과 냉각관(3) 사이의 최소 간격인 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).
5. 제4항에 있어서,

   슬롯(7)은 냉각관(3)까지 연장하는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   슬로 바닥부에서의 슬롯 너비(y)는 10 ㎛ < y < D/3인 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   슬롯 바닥부는 반경(radius)을 갖는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   슬롯(7)이 B면(6)에서 종결되는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   열차폐막(2)은 하나의 슬롯(7)을 구비하며, 상기 슬롯은 냉각관(3)의 중심점(9)의 방향으로 지향되는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    열차폐막(2)은 2개의 슬롯(7)을 구비하며, 상기 슬롯은 대칭 평면에 거울 대칭형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    열차폐막(2)은 3개 이상의 슬롯(7)을 구비하는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).
12. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    열차폐막(2)은 섬유 강화 그래파이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).
13. 제12항에 있어서,

    최대 강도를 갖는 섬유와 슬롯(7)은 최대 20°의 방향 편향(orientation deviating)을 갖는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).
14. 제12항에 있어서,

    Ex-pitch 섬유는 A면에 수직으로 지향되고, Ex-PAN 섬유는 냉각관의 축에 평행하게 지향되며, 재봉 Ex-PAN 섬유는 냉각관 축에 방사상으로 지향되는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).
15. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    냉각관(3)은 구리 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).
16. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    냉각관(3)과 열차폐막(2) 사이에 순수 구리 또는 200 HV 미만의 강도를 갖는 구리 합금으로 구성되는 층(8)이 배치되는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품(1).

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