KR20070073795A

KR20070073795A - 모노블록 냉각 장치 부품

Info

Publication number: KR20070073795A
Application number: KR1020077008938A
Authority: KR
Inventors: 베르트람 쉐들러; 디트마르 쉐들레; 칼하인츠 샤이버; 토마스 후버; 토마스 프리드리히; 안톤 차베르니크; 한스-디이터 프리들레
Original assignee: 플란제 에스이
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2007-07-10
Also published as: WO2006045131A3; US20070246517A1; US8249210B2; ATE498181T1; CN101048826A; JP5302539B2; AT8158U1; ES2360956T3; JP2008518213A; CN101048826B; JP2013167631A; EP1812933A2; DE502005010964D1; JP5717779B2; WO2006045131A2; EP1812933B1; KR101170578B1

Abstract

본 발명은 모노블록 형상의 냉각 장치 부품에 대한 것이다. 텅스텐, 텅스텐 합금, 그래파이트 재료 또는 카바이드 재료로 제조된 열차폐막은 통공을 구비하며, 상기 통공 내부에는 냉각제를 운송하기 위한 냉각 파이프가 접합된다. 열차폐막은 300 MPa 을 초과하는 인장강도와 0.04 Ohm ㎟/m 을 초과하는 전기 저항을 갖는 재료로 제조된 구조 부재와 차례로 접합된다.

카바이드, 텅스텐, 모노블록, 플라즈마, 냉각수

Description

모노블록 냉각 장치 부품{MONOBLOCK COOLING DEVICE COMPONENT}

본 발명은 텅스텐, 텅스텐 합금, 그래파이트 재료(graphitic material) 또는 카바이드 재료(carbidic material)로 제조된 적어도 하나의 열차폐막(heat shield)을 포함하며 냉각제(coolant)를 운송하기 위한 통공(through-hole)을 구비하는 냉각 장치 부품에 대한 것이다.

예를 들어, 다이버터(divertor)와 리미터(limiter)와 같이 10 mW/㎡ 을 초과하는 높은 부하에 노출되는 핵융합로를 위한 제1벽 부품은 이러한 유형의 냉각 장치 부품을 사용하는 전형적인 예이다. 플라즈마에 노출된 영역은 열차폐막이라고 언급되는 반면에, 플라즈마에 노출된 부품은 플라즈마 대향 부품(PFC: plasma facing component)으로 언급되며 플라즈마에 노출된 재료는 플라즈마 대향 재료(PFM: plasma facing material)으로 언급된다. 플라즈마 대향 재료는 플라즈마에 적합해야 하고, 물리적 스퍼터링 및 화학적 스퍼터링에 대한 높은 저항성을 가져야 하며, 높은 용융점/승화점을 가져야 할뿐만 아니라, 열충격에 대해 최대한으로 저항해야 한다. 또한, 플라즈마 대향 재료는 높은 열전도율, 낮은 중성자 방사화(neutron activation), 충분한 강도/파괴 인성, 우수한 가용도 및 만족스러운 가 격을 가져야만 한다. 텅스텐, 텅스텐 합금(예를 들어, W-1 wt.% La₂O₃), 그래파이트 재료(예를 들어, 섬유강화 그래파이트(fibre-reinforced graphite)) 및 카바이드 재료(예를 들어, 탄화 붕소)는 다양하고 약간은 상호 모순적인 이러한 요구 사항들을 최적으로 만족시킨다. 에너지 흐름이 장기간 이들 부품에 작용하므로, 이러한 유형의 냉각 장치 부품은 일반적으로 능동적으로 냉각된다. 열의 분산은, 예를 들어 구리 또는 구리 합금으로 제조되는 히트 싱크(heat sink)의 도움을 받으며, 상기 히트 싱크는 일반적으로 플라즈마 대향 재료(PFM)에 결합된다.

냉각 장치 부품은 다양한 형상을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 평타일(plane tile) 형상, 새들(saddle) 형상 및 모노블록(monobloc) 형상 간의 차이점이 도출된다.

평탄한 결합면을 구비한 플라즈마 대향 재료 타일(PFM tile)이 냉각제가 내부에 관통하는 히트 싱크에 결합되면, 이는 평타일 형상으로 언급된다. 새들 형상의 경우에, 반원 홈(semicircular recess)을 구비한 플라즈마 대향 재료 바디(PFM body)는 튜브형 히트 싱크에 접합된다. 이러한 경우에, 히트 싱크는 열 유입측(heat-introduction side)과 냉각 매체(cooling medium) 사이의 열접촉(thermal contact)을 생성하는 기능을 가지며, 온도 구배 및 결합 상대의 서로 다른 열팽창계수로 인해 발생하는 주기적인 열유도 하중(thermally induced loads)에 노출된다.

모노블록 형상(monobloc design)에 있어서, 냉각수를 운송하는 파이프는 밀 폐된 통공을 구비하는 플라즈마 대향 재료 열차폐막(PFM heat shield)에 의해 둘러싸인다. 새들 형상 및 평타일 형상의 경우에 개별 열차폐막 부품은 사용중에 주기적인 열기계적 하중으로 인해 히트 싱크로부터 분리될 수 있는 반면에, 모노블록 형상은 기하학적 이유로 인하여 열차폐막 부품의 손실을 차단한다. 하지만, 모노블록 형상의 단점은 플라즈마 대향 재료가 열유도 하중뿐만 아니라 추가적인 기계적 하중도 감당해야 한다는 점이다. 이러한 특성을 갖는 추가적인 기계적 하중은 전자기유도 전류(electromagnetically induced current)에 의해 발생할 수 있으며, 상기 전류는 부품 내부에 흐르며 주변 자기장과 상호 작용한다. 이것은 관련 구조물에 의해 전송되어야 하는 고주파 가속력(high-frequency acceleration forces)을 일으킬 수 있다. 평타일 형상 및 새들 형상의 경우에는 이러한 고주파 가속력이 구조 재료를 통해 전송되지만, 모노블록 형상의 경우에는 이러한 고주파 가속력이 플라즈마 대향 재료(PFM)에 의해 전송된다. 하지만, 텅스텐, 텅스텐 합금, 그래파이트 재료 및 카바이드 재료는 파괴 인성이 낮다. 섬유강화 그래파이트의 경우에 있어 또 다른 요소는 상대적으로 낮은 강도이다. 또한, 중성자 취화(neutron embrittlement)가 사용중에 발생하며, 이는 초기 균열(incipient cracking)에 대한 이들 재료의 감수성(susceptibility)을 추가로 증가시킨다. 제1 벽 부품의 분야에서의 수년간의 막대한 비용의 개발 작업에도 불구하고, 현재 이용 가능한 부품들은 이러한 요구 사항을 최적으로 만족시키지 못한다. 이는 핵융합 기술의 대규모 산업적 실시가 요원한 상태로 존재하는 하나의 원인이다.

따라서, 본 발명의 목적은 물리적 응력 및 기계적 응력으로 인해 발생하는 요구들을 적합하게 만족시키는 모노블록 형상의 냉각 장치 부품(통공을 구비한 플라즈마 대향 재료 열차폐막)을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 냉각 장치 부품에 의해 달성되며, 상기 냉각 장치 부품은 텅스텐, 텅스텐 합금, 그래파이트 재료 또는 카바이드 재료로 제조되고 통공을 구비하는 적어도 하나의 열차폐막을 포함하며, 또한 상기 부품은 실온에서 300 MPa 을 초과하는 인장강도와 0.04 Ohm ㎟/m 을 초과하는 전기 저항을 갖는 재료로 제조된 적어도 하나의 구조 부재와, 냉각제를 운송하기 위한 적어도 하나의 냉각 파이프를 포함하며, 열차폐막과 구조 부재가 서로 접합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 냉각 장치 부품은 본 발명의 상세한 설명에 제시된 다양하고 약간은 상호 모순적인 이러한 요구 사항들을 최적으로 만족시키므로, 장기간 존속하던 문제에 대한 간단한 해결책을 제시한다. 만일 구조 부재의 강도가 300 MPa 을 초과하고 전기 저항이 0.04 Ohm ㎟/m 을 초과한다면, 부서지기 쉬운 플라즈마 대향 재료의 초기 균열과 열차폐막의 손실 모두를 방지하는 것이 가능함이 알려졌다.

열차폐막은, 예를 들어 연속적인 보어 형태인 밀폐된 통공을 바람직하게 구비한다. 열차폐막을 위한 바람직한 재료는 탄소 섬유강화 그래파이트, 순수 텅스텐 및 W-1 wt.% La₂O₃ 이다. 또한, 열차폐막의 돌출된 길이(l)와 돌출된 너비(b)의 경우에, 열차폐막과 구조 부재 사이의 돌출된 결합 영역은 0.3·(1·b) 보다 큰 것이 바람직하다. 이와 관련하여, 돌출된 길이, 돌출된 너비 및 돌출된 영역은 평탄한 표면의 수직 돌출부를 의미하는 것으로 이해된다. 평탄하거나 또는 직선 형태의 선/면적의 경우에는 실제 길이, 너비 및 면적이 돌출된 길이, 너비 및 면적에 대응한다. 휘어진 선/면적의 경우에는 돌출된 선/면적은 상응하게 감소된다. 극도로 높은 수준의 부하가 가해지는 부품의 경우에 응력하에서 장기간 부품의 신뢰성을 보장하기 위해서는, 0.8·(1·b) 을 초과하는 돌출된 결합 영역이 바람직하다.

또한, 구조 부품의 상대 투자율(relative magnetic permeability)은 1.2 미만인 것이 바람직하다고 입증되었다. 이러한 맥락에서, 구조 부재용으로 특히 적합한 재료는 Fe계 재료, Ti계 재료 및 Ni계 재료이며 전술한 물리적 성질을 갖는다. 이와 같은 맥락에서, 특정한 언급은 오스테나이트강, 페라이트강, 페라이트-마르텐사이트강(ferritic-martensitic steel) 및 산화물 분산강화(ODS: oxide dispersion strengthened) 재료로 제조되어야 한다.

재료 복합체의 응력을 감소시키기 위하여, 바람직하게는 0.01 내지 5 mm의 두께를 가지며 300 HV 미만의 경도를 갖는 연성 재료로 제조되는 중간층(interlayer)이 열차폐막과 구조 부재 사이에 도입되는 것이 바람직하며, 상기 중간층은 응력 완화 노치(stress-relief notch)를 구비하는 것이 특히 바람직하다. 중간층은 구리 또는 구리 합금으로 구성되는 것이 바람직하다고 입증되었다. 예를 들어, 레이저에 의한 바람직하게는 열차폐막 측면 상에서의 결합 영역의 구조화는 균열의 위험 또한 감소시킨다.

또 다른 바람직한 실시예는 결합 영역으로부터의 거리가 증가함에 따라 좁아지는 구조 부재의 단면, 결합 영역과 베벨의 도입부의 평탄한 형상 또는 결합 영역/구조 부재의 모서리 영역의 원형 단면을 포함한다.

열차폐막과 구조 부재 사이의 접합은, 예를 들어 납접(soldering), 결합 부재 모두를 동시에 견고하게 뒤붙임(backing), 주조(casting) 또는 예를 들어 구리 또는 알루미늄으로 된 두꺼운 연성 층으로 주조한 열차폐막을 뒤붙임함으로써 수행될 수 있으며, 납접, 전자빔 용접 또는 예를 들어 확산 용접에 의한 다음 접합 공정이 이어진다. 특정 실시예에 따라서, 냉각 파이프를 열차폐막에 접합하는 것은 구조 부재로의 접합 공정 이전에 일어나거나, 또는 이후에 일어날 수 있다.

이는 아래와 같은 제조 변형예로서 나타나지만, 본 발명이 이와 같은 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

변형예 1

통공과 열차폐막의 측면을 연성 재료로 백 캐스팅(back casting)한다. 선택되는 연성 재료에 따라서, 이러한 작업은 하나의 공정 단계 또는 2개인 별도의 공정 단계로 발생할 수 있다. 이어서, 파이프를 전술한 부품에 결합한다. 연성 재료를 구비한 열차폐막의 측면은, 예를 들어 납접, 전자빔 용접(EB welding) 또는 열간 정수압 성형(HIP: hot isostatic pressing)에 의하여 구조 부재에 접합된다.

변형예 2

통공 및 구조 부재의 측면 상의 열차폐막의 표면은 연성 재료로 백 캐스팅된다. 선택되는 연성 재료에 따라서, 이것은 하나의 공정 단계 또는 2개인 별도의 공정 단계로 일어날 수 있다. 이어서, 이러한 방식으로 제조된 부품을 연성 층을 통해 구조 부재에 결합한다(예를 들어, 납접(soldering), 전자빔 용접(EB welding) 또는 열간 정수압 성형(HIP)에 의하여 수행). 1단계와 2단계가 하나의 공정 단계로 합쳐지는 것도 가능하다. 이러한 경우에 있어서, 구조 부재는 연성 재료에 비해 높은 용융점을 가져야 한다. 이 후, 냉각 파이프는 전술한 부품에 접합된다.

구조 부재는 예를 들어 강으로 제조된 지지 부재에 기계적으로 결합되거나 또는 접합된다. 접합은 예를 들어 용접에 의해 수행될 수 있으며, 기계적 결합은 하나 또는 그 이상의 핀(fin)에 의한 단단한 볼트에 의해 수행될 수 있다. 사용중에 열팽창의 상당한 차이가 발생하면, 구조 부재와 지지 부재 사이의 상대적인 운동을 허용하는 슬라이딩 기계 결합이 또한 바람직할 수 있다.

이후, 본 발명은 첨부된 도면과 실시예를 기초로 하여 더욱 자세하게 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 냉각 장치 부품의 평면도이며,

도 2 내지 도 8은 냉각 장치 부품의 단면도이다.

도 1의 냉각 장치 부품(1)은 열차폐막(2)을 포함하며, 상기 열차폐막은 연성 중간층(7)을 통해 냉각 파이프(4)에 접합된다. 이어서, 길이(l)와 너비(b)를 갖는 열차폐막은 그 접합 영역(6)에서 구조 부재(3)에 접합되며; 돌출된 접합 영역은 l·b 에 달한다. 도 2는 열차폐막(2)이 연성 중간층(13)에 의해 구조 부재(3)에 접합되는 냉각 장치 부품(1)을 도시한다. 도 3에 있어서, 중간층(13)은 응력 완화 노치(stress-relief notch)(8)를 구비한다. 도 4는 구조 부재(3)가 좁아지는 단면을 갖는 냉각 장치 부품(1)을 도시한다. 접합 영역(6)의 모서리 영역은 도 5에서 반경부(9)를 구비하며 도 6에서 베벨들(bevels)을 구비한다. 반경부와 베벨은 상향 또는 하향으로 지향될 수 있다. 도 7은 접합 지지 부재(11)를 구비한 냉각 장치 부품(1)을 도시한다. 도 8에 있어서, 지지 부재(11)는 볼트 결합부(12)에 의하여 지지 부재(3)에 기계적으로 결합된다.

제1 실시예

탄소 섬유강화 그래파이트(CFC)로 제조되는 열차폐막을 구비한 모노블록 형태의 냉각 장치는 아래와 같이 제조된다.

28 mm (ex-pitch 방향), 25 mm (ex-PAN 방향) 및 20 mm (섬유 방향)의 치수를 갖는 3개의 탄소 섬유강화 그래파이트(CFC)는 14 mm의 직경을 갖는 보어 형태의 통공을 구비하였다. 그리고, 보어의 내부와 25 × 20 mm의 치수를 갖는 하나의 블록 측면은 레이저 수단에 의해 구조화된다. 다음 단계에서, 무산소 고전도성 구리(OFHC copper)는 주조 공정에 의하여 구조화된 보어 내부에 및/또는 구조화된 블록 표면 상에 적용되며, 티타늄은 웨팅(wetting)을 보장하기 위하여 결합 영역에 구비된다. 이어서, 블록 표면 위와 보어 내의 무산소 고전도성 구리는 0.5 및 1 mm 사이의 두께로 가공된다.

이 후, 구리-크롬-지르코늄 합금으로 제조되며 대략 12 mm의 직경을 갖는 파이프는 보어 내부에 각각의 경우에 도입되었다. 모든 측면에 5 ㎛ 두께의 니켈도금을 구비하며 25 × 20 × 30 mm의 치수를 갖는 직육면체 강은 무산소 고전도성 구리층을 구비한 블록 측면에 각각의 경우에 배치되었다. 이러한 방식으로 제조된 조 립체는 이어서 강 캔(steel can)에 배치된다. 강은 용접되고 사출되며 550℃와 1000 bar에서 열간 정수압 성형 공정(HIP process)을 받을 수 있다. 캔을 제거한 이후에는, 냉각 장치 부품이 초음파를 이용하여 검사되었다. 결합 영역은 결함이 없었다. 그 후, 이러한 방식으로 제조된 냉각 장치 부품은 기계 가공되고 볼트 결합부에 의해 강 구조물 상에 활주 방식으로 장착된다.

제2 실시예

텅스텐으로 제조된 열차폐막을 구비한 모드블록 형태의 냉각 장치 부품은 아래와 같이 제조된다.

28 × 25 × 20 mm의 치수를 갖는 3개의 텅스텐 블록은 14 mm의 직경을 갖는 보어 형태의 통공을 구비하였다. 보어와, 텅스텐 블록의 25 × 20 mm 측면은 무산소 고전도성 구리를 사용하여 백 캐스팅되었다. 캐스팅 공정에 이어, 보어 내부와 블록 표면상의 무산소 고전도성 구리는 0.1 내지 5 mm 사이의 두께로 가공된다. 이어서, 이러한 방식으로 제조된 텅스텐 블록은 구리-크롬-지르코늄 합금으로 제조된 파이프 상으로 나사 체결되었다. 모든 측면에 5 ㎛ 두께의 니켈도금을 구비하며 25 × 20 × 30 mm의 치수를 갖는 직육면체 강은 무산소 고전도성 구리(OFHC copper)가 제공되는 블록 측면에 각각의 경우에 배치되었다. 이 후, 이러한 방식으로 제조된 조립체는 강 캔에 배치된다. 강은 용접되고 사출되며 550℃와 1000 bar에서 열간 정수압 성형 공정(HIP process)을 받을 수 있다. 캔을 제거한 이후에는, 초음파 검사가 실행되었으며 어떠한 결함도 나타나지 않았다. 그 후, 이러한 방식으로 제조된 냉각 장치 부품은 기계 가공되고 전자빔 용접에 의해 강 구조물에 고정된다.

본 발명은 모노블록 냉각 장치 부품에 이용될 수 있다.

Claims

텅스텐, 텅스텐 합금, 그래파이트 재료 또는 카바이드 재료로 제조되고 통공(5)을 구비하는 적어도 하나의 열차폐막(2); 실온에서 300 MPa 을 초과하는 인장강도와 0.04 Ohm ㎟/m 을 초과하는 전기 저항을 갖는 재료로 제조된 적어도 하나의 구조 부재(3); 및 냉각제를 운송하기 위한 적어도 하나의 냉각 파이프(4)를 포함하는 냉각 장치 부품(1)으로서, 열차폐막(2)과 구조 부재(3)가 서로 접합되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제1항에 있어서,

열차폐막(2)과 냉각 파이프(4)가 서로 접합되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제1항 또는 제2항에 있어서,

열차폐막(2)은 구조 부재를 위한 돌출된 길이(l), 돌출된 너비(b) 및 접합 영역(6)을 구비하며, 돌출된 접합 영역(6)은 0.3·(1·b) 을 초과하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제3항에 있어서,

돌출된 접합 영역(6)은 0.8·(1·b) 을 초과하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제3항 또는 제4항에 있어서,

접합 영역(6)은 평탄한 형태인 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

접합 영역(6)은 구조화된 형태인 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

300 HV 미만의 경도를 갖는 연성 재료로 된 중간층(13)이 열차폐막(2)과 구조 부재(3) 사이에 도입되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제7항에 있어서,

중간층(13)은 구리계 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제7항 또는 제8항에 있어서,

중간층(13)은 응력 완화 노치(8)를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

중간층(13)의 두께는 0.01 내지 5 mm인 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

300 HV 미만의 경도를 갖는 연성 재료, 바람직하게는 구리로 된 중간층(7)이 열차폐막(2)과 냉각 파이프(4) 사이에 도입되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

구조 부재(3)는 접합 영역(6)으로부터 거리가 증가할수록 줄어드는 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

구조 부재(3)는 Fe계 재료, Ti계 재료 또는 Ni계 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제13항에 있어서,

구조 부재는 오스테나이트강, 페라이트강, 페라이트-마르텐사이트강 또는 산화물 분산강화 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

구조 부재의 상대 투자율이 1.2 미만인 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

열차폐막(2) 및/또는 구조 부재(3)는 접합 영역(6)에서 반경부(9) 또는 베벨(10)을 구비하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,

통공(5)은 연속적인 보어로서 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,

냉각 파이프(4)는 구리계 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,

구조 부재(3)는 용접에 의해 지지 부재(11)에 접합되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,

구조 부재(3)는 하나 또는 그 이상의 핀에 의한 단단한 볼트 결합에 의해 지지 부재(11)에 기계적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,

구조 부재(3)는 구조 부재(3)와 지지 부재(11) 사이의 상대적인 운동을 허용하는 슬라이딩 기계 결합, 바람직하게는 볼트 결합에 의해 지지 부재(11)에 결합되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치 부품.
핵융합로에서 제1 벽 부품으로서의 사용을 위한 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따르는 냉각 장치 부품.
제22항에 있어서,

다이버터로서의 사용을 위한 제22항에 따르는 냉각 장치 부품.