KR101298346B1 - 튜브 부분을 구비한 제1벽 부품 - Google Patents

튜브 부분을 구비한 제1벽 부품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 핵융합로의 제1벽 부품에 대한 것으로서, 제1벽 부품은 흑연 재료로 된 적어도 하나의 열 차폐막과 구리 또는 구리 합금으로 된 냉각 튜브를 포함한다. 열 차폐막과 냉각 튜브 사이에 배치된 것은 튜브 부분이며, 튜브 부분은 구리 함유 층을 통하여 적어도 어떤 영역에서 열 차폐막과 냉각 튜브에 연결된다.
구리, 냉각, 핵융합로, 벽, 흑연

Description

튜브 부분을 구비한 제1벽 부품{FIRST-WALL COMPONENT WITH TUBE SEGMENT}
도 1은 본 발명에 따른 제1벽 부품의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 제1벽 부품의 정면도이다.
도 3은 튜브 부분의 사시도이다.
본 발명은 핵융합로(fusion reactor)의 제1벽 부품에 대한 것으로서, 제1벽 부품은 흑연 재료로 된 적어도 하나의 열 차폐막(heat shield)과 구리 또는 구리 합금으로 된 냉각 튜브를 포함하며, 상기 열 차폐막은 밀폐 또는 개방 통로를 구비한다.
이러한 제1벽 부품을 사용하는 전형적인 예는, 10 MW/m2을 넘어서는 극도로 높은 열부하에 노출되는 다이버터(diverter)와 리미터(limiter)의 제1벽 부품이다. 제1벽 부품은 열 차폐막과 열 분산부를 포함한다. 열 차폐막의 재료는 플라즈마와 양립할 수 있고, 물리적 및 화학적 스퍼터링에 대한 높은 저항과, 높은 용융점/승화점을 가지며, 열충격에 최대한 견딜 수 있어야 한다. 게다가, 열 차폐막 재료는 높은 열전도율, 낮은 중성자 활성 및 적절한 강도(strength)/파괴인성(fracture toughness)을 가져야만 한다. 텅스텐과 같은 내화성 금속(refractory metal)에 더하여, 예를 들어 흑연 재료는 이러한 다양하고 서로 약간 상충하는 요구 사항들을 만족시킨다. 에너지는 이러한 부품에 작용하는 플라즈마로부터 오랜 기간 동안 흐르므로, 이러한 제1벽 부품은 통상적으로 능동 냉각된다. 열제거(heat removal)는 예를 들어 구리 또는 구리 합금으로 된 히트 싱크(heat sink)의 보조를 받으며, 히트 싱크는 재료 결합(material bond)에 의해 열 차폐막에 일반적으로 결합된다.
구리는 열제거를 보장하는 기능을 갖는다. 또한, 구리는 흑연이 순구리(pure copper)로 된 중간층을 통하여 고강도 구리 합금(예를 들어 Cu-Cr-Zr)에 결합하는 경우에 응력 감소 작용도 수행할 수 있다. 이 경우에 구리층은 일반적으로 0.5 내지 3mm의 두께를 갖는다.
흑연 영역과 하나 이상의 구리 재료들의 영역 이외에, 이러한 제1벽 부품은 예를 들어 강 또는 텅스텐 합금으로 된 다른 영역을 구비할 수도 있다.
이 경우에, 흑연과 구리 사이의 결합 영역은 이러한 재료 복합체의 약점이다. 결합 영역에서 향상된 강도를 갖는 냉각 장치를 제조하기 위한 방법은 유럽 특허 공보 제0 663 670 B1호에 개시되어 있다. 이 경우에, 용융 상태의 냉각 장치의 금속이 내열 재료와 접촉하며, 주기계(periodic system)의 Ⅳ족 및/또는 Ⅴ족 아족(subgroup)의 하나 또는 그 이상의 원소는 결합 작업 중에 결합 영역에 제공된다. 이러한 방식으로 제조되는 재료 복합체는 매우 향상된 강도를 갖는다.
제1벽 부품은 다양한 형상으로 제조될 수 있다. 특출난 것은 평탄한 타일, 새들(saddle) 또는 모노블록 형상으로 도시된다.
평면 결합 영역을 구비한 열 차폐막이 냉각수가 통과하는 히트 싱크에 결합된다면, 이것은 평탄한 타일 형상으로 언급된다. 새들 형상의 경우에는, 반원형 홈을 구비한 열 차폐막이 튜브형의 히트 싱크에 결합된다. 히트 싱크는 열 입력부와 냉각 매체 사이에 열접촉을 확립하는 기능을 각각의 경우에 가지며, 그로 인해 온도 구배 및 접합되는 원소들의 팽창률 차이에 의해 촉발되는 원통형의 열유도 하중(thermally induced load)에 노출된다. 모노블록 형상의 경우에 있어서, 제1벽 부품은 동심 통로를 구비한 열 차폐막을 포함한다. 열 차폐막은 상기 동심 통로에 의하여 냉각 튜브에 연결된다. 기하학적 조건(geometrical condition)으로 인하여, 구리 중간층의 소성 변형에 의해 발생하는 응력 감소는, 응력의 삼축 상태(triaxial state of stress)에서 소성 변형을 극도로 억제하는 모노블록 형상의 경우에 비하여 평탄한 타일 형상인 경우에 보다 효율적으로 발생한다. 이러한 제한된 응력 감소로 인하여, 균열이 흑연 재료에 발생할 수 있다.
제1벽 부품은 열유도 기계적 응력뿐만 아니라 부가적으로 발생하는 기계적 응력도 감당해야만 한다. 이러한 부가적인 기계적 하중은 부품 내부에서 흐르며 주변 자기장(surrounding magnetic field)과 상호 작용하는 전자기적으로 유도된 전류(electromagnetically induced current)에 의하여 발생될 수 있다. 이는 열 차폐막에 의해 전달되어야 하는 고주파 가속도력(high-frequency acceleration force)의 발생과 관련될 수 있다. 하지만, 흑연 재료는 낮은 기계적 강도 및 파괴인성을 갖는다. 게다가, 균열 발생으로 이어지는 이들 재료의 감도(sensitivity)에서의 추 가적인 증가를 유발하는 중성자 취화(neutron embrittlement)가 사용 중에 발생한다.
섬유강화흑연(fibre reinforced graphite)(CFC)은 흑연 재료로 일반적으로 사용된다. 이 경우에 섬유 강화는 3차원 및 선형적으로 배치된다. 섬유의 구조는 공간적 방향에 따라서 여러 개의 특성을 갖는 재료를 제공한다. 섬유강화흑연(CFC)은 최대 강도 및 열전도율 모두를 구비한 엑스-피치 섬유(ex-pitch fibre)에 의하여 일 공간적 방향으로 통상 강화된다. 2개의 다른 공간적 방향들은 통상적으로 일 방향만이 꿰매어지는 엑스-판 섬유(ex-PAN fibre)에 의하여 강화된다. 따라서, 섬유강화흑연(CFC)이 선형 재료 구조를 갖는 반면에, 모노블록 형상의 경우에 열 차폐막/냉각 튜브 결합 기하 구조는 원형이다. 사용되는 재료의 열팽창률이 서로 다름으로 인하여, 응력의 조성(造成)은 제조 공정 중에 발생하며 섬유강화흑연에서의 균열을 유발할 수 있다. 기하학적 조건 및 사용되는 재료들의 조합으로 인하여, 이러한 균열은 적어도 매우 복잡한 방법에 의하여 탐지될 수 있다. 이러한 부품들을 위한 원자력의 배경에 대하여, 이것은 아래와 같은 문제점들을 일으키며, 특히 균열/박리는 중대한 사고의 잠재 유발 원인으로 여겨진다.
제1벽 부재의 분야에서의 수 해에 걸친 열정적인 개발 노력에 불구하고, 구조적 부재들이 아직까지는 요구 사항의 설정치를 최적으로 만족시킬 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 기계적 및 물리적 응력으로 인한 요구 사항들을 적합한 방식으로 만족시키는 모노블록 형상의 제1벽 부재를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 특허청구범위 제1항의 특징부에 의해 달성된다.
이러한 경우에, 제1벽 부재는 흑연 재료의 적어도 하나의 열 차폐막과 구리 또는 구리 합금의 냉각 튜브를 포함하며, 열 차폐막은 밀폐 통로 또는 개방 통로를 구비하고 튜브 부분은 열 차폐막과 냉각 튜브 사이에 배치된다. 튜브 부분은 연성 구리층을 통하여 열 차폐막과 냉각 튜브에 각각 연결된다. 튜브 부분은 서로 다른 열팽창률로 인해 발생하는 열 차폐막에서의 내부 응력이 감소되는 효과를 갖는다. 이러한 효과를 최적의 방식으로 달성하기 위해서는, 열 차폐막과 튜브 부분의 열팽창률이 비슷하고, 튜브 부분이 적어도 0.2 mm의 적합한 두께를 가지며, 가능한 한 높은 열전도율과 강도를 갖는 것이 바람직하다. 보다 작은 두께를 갖는 경우에는, 응력의 적절한 감소가 달성되지 않는다. 대략 1.5 mm의 상한은 기하학적 조건에 기인한다.
튜브 부분에 대한 기계적/물리적 요구 사항은 몰리브덴, 몰리브덴 합금, 텅스텐 및 텅스텐 합금을 포함하는 그룹으로부터의 재료에 의해 최적으로 충족된다.
특히 주목되는 것은 텅스텐-구리 시스템과 몰리브덴-구리 시스템에서의 유사 합금(pseudoalloy)이다. 텅스텐-구리의 경우에 있어서 바람직한 구리 함량은 5 내지 25 중량%이며, 몰리브덴-구리의 경우에 있어서 바람직한 구리 함량은 15 내지 40 중량%이다. 튜브 부분은 20° 내지 180°, 바람직하게는 50° 내지 130°의 개방각(α)을 갖는다. 이보다 작은 개방각의 경우에는, 열유속(heat flux)이 방해된다.
개방각(α)의 각 이등분선(angle bisector)은 플라즈마에 노출되는 열 차폐막의 표면에 수직이면 바람직하다는 것이 또한 입증되었다. 열 차폐막은 구리 함유 층을 통해 튜브 부분에 연결되고, 이어서 튜브 부분은 구리 함유 층을 통하여 냉각 튜브에 연결된다. 이들 층들은 마찬가지로 응력 감소 역할을 한다. 튜브 부분의 개방 영역은 구리 또는 구리 합금으로 마찬가지로 충전되며, 그로 인해 이 영역에서 열 차폐막은 이러한 구리 함유 영역을 통해 구리 튜브에 연결된다. 그 결과, 상기 영역에서의 열유속은 튜브 부분에 의해 방해를 받지 않는다.
열 차폐막을 관통하는 통로는 밀폐되고 보어(bore)로서 형성되는 것이 바람직하며, 통로의 벽은 레이저에 의해 구조화되며, 상기 벽은 금속 및/또는 탄화적으로 활성 처리된다(the wall being metallically and carbidically activated).
본 발명에 따른 제1벽 부품을 제조하기 위해서는, 먼저 통로, 바람직하게는 보어가 흑연 재료, 바람직하게는 섬유강화흑연의 블록(block) 내부로 도입된다. 통로의 표면은 레이저에 의해 바람직한 방식으로 구조화되며, 이어서 처리된 표면이 액체 구리에 의해 적셔질 수 있는 방식으로 금속 및/또는 탄화적으로 활성 처리된다. 이어서, 튜브 부분은 이러한 방식으로 미리 처리된 통로에 삽입된다. 튜브 부분의 바람직한 두께는 이 경우에 0.2 내지 1.5 mm이다. 튜브 부분과 처리된 통로의 벽 사이의 간극은 대략 0.2 내지 0.8 mm이다. 순구리의 슬리브(sleeve)가 이러한 간극(gap) 내부로 도입된다. 또한, 순구리의 슬리브는 튜브 부분의 내경에 대향되게 위치된다. 이러한 방식으로 제조되는 구조는 진공 또는 불활성 가스 하에서 구리의 용융점 이상의 온도로 가열된다. 특히 섬유강화흑연(CFC)과 튜브 부분 사이의 간극과 튜브 부분의 개구부 영역으로의 구리의 보급(replenishment)을 보장하기 위하여, 대응하는 구리 저장부(depot)가 제공된다.
이것은 아래의 레이디얼 구성(radial construction)(외부로부터 내부로)을 갖는 화합물을 제공한다: 섬유강화흑연(CFC)/ 활성층(activation layer)/ 구리/ 몰리브덴-구리 또는 텅스텐-구리/ 구리.
바람직하게는 구리-크롬-지르코늄인 구리 합금으로 된 냉각 튜브는 납땜(soldering) 또는 열간정수압소결(HIP)과 같은 통상적인 표준 방법에 의해 내부 구리층에 재료적으로 결합될 수 있다.
본 발명은 아래의 실시예를 참조로 하여 더욱 자세하게 설명된다.
제1벽 부재(1)의 제조를 위해서, 45 mm x 30 mm x 25 mm의 치수를 갖는 섬유강화흑연 열 차폐막(CFC heat shield)(2)이 사용된다. 섬유강화흑연(CFC) 열 차폐막(2)은 방향에 따라 다양한 성질을 갖는 3차원 섬유 구조를 갖는다. 최대 열전도율을 갖는 섬유는 45 mm의 외부 치수에 대해 평행하게 놓인다. 평균 열전도율을 갖는 섬유 다발은 30 mm의 외부 치수에 대해 평행하게 놓인다. 18 mm의 직경을 갖는 관통 보어(4)는 30 mm x 45 mm의 영역에 대해 수직으로 그 대칭 중심(center of symmetry)에 삽입된다. 이어서, 25 mm의 깊이를 갖는 이러한 보어는 레이저에 의해 구조화되며, 100% 이상의 표면 영역에서의 증가를 달성한다. 원뿔형 레이저 보어는 대략 1000 ㎛의 깊이를 가지며, 이 표면에서의 개구부 너비는 대략 200 ㎛이다. 이 경우 레이저 펄스의 순서는 각 보어가 가능한 한 서로 근접하게 배치되도록 선택된다. 이러한 방식으로 처리된 표면은 활성화되며, 그로 인해 액체 구리에 의해 적셔 진 탄화적으로 결합된 표면은 섬유강화흑연(CFC) 재료(2)에서 생성된다. 이는 티타늄이 상기 표면에 적용됨으로써 달성된다. 그 이후에, 부품은 티타늄의 용융점 이상의 온도로 가열되고, 용융된 티타늄은 작용하는 모세관 힘의 결과로써 섬유강화흑연으로 침투하며, 그로 인해 탄화티타늄(titanium carbide)을 형성한다. 탄화티타늄은 한편으로 매우 우수한 화학적 결합에 의해 섬유강화흑연(CFC)에 접착하며, 다른 한편으로 열 차폐막(2)을 액체 구리로 적심 가능하도록 만든다. 이어서, 0.4 mm의 두께를 갖는 순구리 박(foil)은 실린더를 형성하는 방식으로 활성화된 구멍(activated bore)(4)에 배치되며, 열 차폐막(2) 내의 보어의 내부 측에 대향되게 놓인다. 이어서, 25 mm 높이, 17 mm의 외경, 0.5 mm의 벽 두께 및 90°개방각(α)의 10 중량%의 구리를 구비한 텅스텐(W)으로 된 튜브 부분(5)은 보어 내부로 삽입된다. 이 경우에 개방각(α)의 각 이등분선은 45 mm x 25 mm 영역에 수직하게 놓인다. 이러한 영역(9)은 사용 중에 플라즈마에 노출된다. 15.8 mm의 외경을 갖는 구리 코어(copper core)는 튜브 부분(5)의 내부 영역에 배치되며, 이러한 코어는 20 mm의 직경을 갖는 헤드(head)를 갖는다. 이러한 헤드는 용융 저장부의 역할을 수행한다. 이어서, 이러한 조립체는 진공로(vacuum furnace)에 설치되고 냉각 상이 시작되기 전에 진공 하에서 대략 10분간 1100℃로 가열된다.
이러한 방식으로, 열 차폐막(2)은 구리층(6)을 통하여 튜브 부분(5)에 연결된다. 튜브 부분(5)의 개구 영역(8)은 구리로 충전된다. 이어서, 이러한 방식으로 제조되는 모노블록은 모든 측면에서 가공된다. 따라서, 초기 외부 치수는 각 경우마다 1 mm씩 줄어들며, 그로 인해 모노블록은 추가적인 가공전에는 44 mm x 29 mm x 24 mm의 외부 치수를 갖는다. 구리 충전 통로(4)는 15 mm의 직경으로 천공된다. 이 경우에, 내경은 연속적인 구리층(7)을 갖는다. 이 후, 14.8 mm의 외경을 갖는 구리-크롬-지르코늄 튜브(3)는 통로(4)에 배치된다. 이어서, 냉각 튜브(3)와 모노블록은 열간정수압소결 공정(HIP process)에 의해 재료적으로 결합되며, 그로 인해 능동 냉각형(actively coolable) 제1벽 부품(1)이 획득된다.
본 발명은 제1벽 부품의 균열을 방지한다. 따라서, 균열 및 박리에 의해 발생할 수 있는 엄청난 재해를 방지한다.

Claims (13)

  1. 흑연 재료로 된 적어도 하나의 열 차폐막(2)과, 구리 또는 구리 합금으로 된 냉각 튜브(3)를 포함하며, 열 차폐막(2)은 밀폐 또는 개방 통로(4)를 구비하는 핵융합로의 제1벽 부품(1)에 있어서,
    열 차폐막(2)과 냉각 튜브(3) 사이에 튜브 부분(5)이 배치되고, 튜브 부분(5)은 적어도 일부의 영역에서 구리 함유 층(6, 7)들을 통하여 열 차폐막(2)과 냉각 튜브(3)에 연결되며, 튜브 부분(5)은 20°내지 180°의 개방각(α)을 갖고, 개방각(α)의 각 이등분선은 플라즈마에 노출되는 열 차폐막(2)의 표면(9)에 수직한 것을 특징으로 하는 핵융합로의 제1벽 부품.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    튜브 부분(5)의 개방각(α)은 50°내지 130°인 것을 특징으로 하는 핵융합로의 제1벽 부품.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    튜브 부분(5)은 0.2 내지 1.5 mm의 벽 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 핵융합로의 제1벽 부품.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    열 차폐막(2)은 튜브 부분(5)의 개구부(8)의 영역에서 구리 함유 영역을 통하여 냉각 튜브(3)에 연결되는 것을 특징으로 하는 핵융합로의 제1벽 부품.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    튜브 부분(5)은 몰리브덴, 몰리브덴 합금, 텅스텐 및 텅스텐 합금을 포함하는 그룹의 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 핵융합로의 제1벽 부품.
  8. 제7항에 있어서,
    튜브 부분(5)은 Mo-Cu 또는 W-Cu로 구성되는 것을 특징으로 하는 핵융합로의 제1벽 부품.
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    열 차폐막(2)은 섬유강화흑연(CFC)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 핵융합로의 제1벽 부품.
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    냉각 튜브(3)는 Cu-Cr-Zr으로 구성되는 것을 특징으로 하는 핵융합로의 제1벽 부품.
  11. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    통로(4)는 보어(bore)인 것을 특징으로 하는 핵융합로의 제1벽 부품.
  12. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    통로(4)는 레이저에 의해 구조화되는 것을 특징으로 하는 핵융합로의 제1벽 부품.
  13. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    통로(4)의 벽은 적어도 일부의 영역에서 티타늄 카바이드 층(titanium carbide layer)을 구비하는 것을 특징으로 하는 핵융합로의 제1벽 부품.
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