(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合する材料の接合面同士を当接させ、該当接した接合材料の周囲を接合防止材料を介して薄いキャニング材で囲繞し、前記接合面に加圧媒体が侵入しないように前記キャニング材をシール溶接して密封し、加熱下で加圧媒体を介して静圧を印加することにより前記接合材料同士を拡散接合させ、その後キャニング材を剥離させて製品を作製する熱間静圧接合法であって、前記接合材料自体に設けたスリットの内および前記接合材料同士の突き合わせ位置に設けるべきスリットの位置に予め接合防止材料を挟み込んで前記熱間静圧接合法を施し、該スリット部の接合防止材料を除去して接合材料自体に設けたスリットを復元しまた接合材料同士の突き合わせ位置にスリットを形成することにより製品を作製することを特徴とする熱間静圧接合法。
【請求項２】
前記キャニング材を密封した後にキャニング材で囲われた部分を真空に引くことを特徴とする請求項１記載の熱間静圧接合法。
【請求項３】
前記接合防止材料がアルミナ繊維布であることを特徴とする請求項１または２記載の熱間静圧接合法。
【請求項４】
銅もしくは銅合金にステンレス鋼製の水管を挟み込んでブロックを形成して、該ブロックの裏側にステンレス鋼の裏板を当接させて、接合防止材料を介して薄いステンレス鋼製キャニング材で囲繞密封して、加熱下で静圧を印加して拡散接合し、該キャニング材を剥離して中間構造物を得た後、さらに該中間構造物の銅側表面にベリリウム板を当接させて、接合防止材料を介して薄いキャニング材で囲繞密封して、加熱下で静圧を印加して拡散接合することを特徴とする核融合炉の第一壁構造物の製造方法において、前記ブロックに設けたスリットの内に予め接合防止材料を挟み込むと共に前記ベリリウム板に設けるスリットとなるべき位置に接合防止材料を挟み込んで前記熱間静圧接合法を施した後で、該スリット内及び前記ベリリウム板の接合防止材料を除去して前記ブロックのスリットを復元しかつ前記ベリリウム板のスリットを形成することにより作製することを特徴とする第一壁構造物の製造方法。
【請求項５】
前記接合防止材料がアルミナ繊維布であることを特徴とする請求項４記載の第一壁構造物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間静圧接合法に関し、特に熱間静圧接合法を用いて核融合炉の第一壁構造体などを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
核融合炉ブランケット第一壁は、核融合炉においてプラズマ閉じ込めのための真空容器の最も内側の壁であって、ステンレス鋼や高融点金属で構成され、表面に炭素やベリリウムなど原子番号の小さい物質をコーティングして形成する。
第一壁は、高温下でヘリウム、水素、中性子などの過酷な照射を受けるため、効果的な冷却が必須である。このため、基材のステンレス鋼と表面のベリリウム張りの間に伝熱性能のよい銅の層を設けてその中に冷却管を埋め込んだ構造が普通に用いられる。なお容器内の電磁界により第一壁内に生成する渦電流を抑制するためベリリウム層と銅層にはスリットを設けることが好ましい。
【０００３】
従来、第一壁のように内部に多数の貫通孔を有する比較的長尺の板状体は、初めに形成された板状体に機械加工や電解加工によって貫通孔を形成するか、溝を有する多数の板状体を平板上に載置して電子ビーム溶接することにより形成していた。
しかしながら、これらの方法では極めて高度な加工技術を必要とし高価になること、溶接による変形により寸法精度が得られないこと、また接触面全面の溶接が困難であることなどの問題があった。
【０００４】
これに対して、２枚の板状部材に冷却管を挟み込み加熱下で加圧して拡散接合させる熱間静圧接合法を利用して、接触面同士を接合させることもできる。この方法は、図８に断面を示すように、圧力を伝達する流体が接合面に滲入しないように接触面の周囲をシール溶接するが、溶接線の近辺では拡散接合が行われないため、接合の不十分な部分を切り落す必要があった。
【０００５】
こうした問題を解決する方法として、本願出願人の出願に係る特開平１０−５４６８８号公報に、キャニングを用いた熱間静圧接合法が開示されている。開示方法は、板状部材には冷却管を嵌合させる溝が形成されており、複数の冷却管を溝に嵌め込んで合体させた部材を、図９の分解組立図に示すように、厚さ１ｍｍから３ｍｍのシール板で囲って、図１０の斜視図に示すように、全周をシール溶接して被覆（キャニング）し、内部を真空にし、熱間静圧加圧処理（ＨＩＰ）装置で加工処理して接触面を拡散接合させるものである。この方法は、静圧が薄いシール板を介して部材に作用するようにしたもので、部材の接触部分に媒体が滲入することが無く、設計が容易でコストも低い上、寸法精度が高く、熱荷重、内圧荷重、電磁力負荷に対して安全性の高い第一壁を製造することができる。
【０００６】
しかし、上記開示発明によっても、キャニングに使用したシール材が母材に拡散接合して固着するため、寸法精度を確保する場合には機械加工によりシール材を切削除去して製品化する必要がある。なお、寸法精度が問題にならない場合にも、母材が異質の材料を接合したものであるときには、シール材を母材に合わせることができない。
また、第一壁のように切り込みや溝が必要な場合には、予め切り込みなどを形成した材料を使って熱間静圧接合をすると切り込み等の部分で拡散接合が生じて切り込み等が塞がったり変形したりする。このため、加工後に接合した材料にスリット等を形成しなくてはならず、加工費が増大する問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、熱間静圧接合法を適用するときに仕上げに必要な機械加工を簡略化して低コストで製品を製造することができる方法を提供することである。
特に、熱間静圧接合法を用いてより簡単に低コストで核融合炉第一壁を製作する方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の熱間静圧接合法は、接合する材料の接合面同士を当接させ、当接した接合材料の周囲を接合防止材料を介して薄いキャニング材で囲繞し、接合面に加圧媒体が侵入しないようにキャニング材をシール溶接して密封し、加熱下で加圧媒体を介して静圧を印加することにより接合材料同士を拡散接合させ、その後キャニング材を剥離させて製品を作製することを特徴とする。
本発明は、接合防止材を介して接合材料の周囲をキャニング材で囲繞するようにしてあるから、熱間静圧接合法（ＨＩＰ）を施した後でもキャニング材と接合材料は接合していない。したがって、施工後にキャニング材と接合防止材を製品表面から容易に剥離することができる。このため、従来のように切削加工を行う必要がなく、製造コストも低減する。
【０００９】
なお、キャニング材で囲繞した後で真空に引くことにより、接合材料同士の接触面部分に余剰のガスが残留することを防いで、良好な接合が得られる。
また、接合材料に溝が必要な場合には、接合材料に予め溝を形成しておき、溝の部分に接合防止材を挿入しておけば、ＨＩＰによっても溝の壁同士が融着することなく、処理後に接合防止材を取り除くことによって、簡単に溝を復元することができる。
なお、結合防止材は、結合しようとする金属と接合を起こさない材料で高温に耐えるものであればよく、カーボンや窒化ホウ素などが適当である。また薄板、繊維、粒体などの形状で適用することができる。しかし、ステンレス鋼や銅の処理に使用するときは、剥離性を考慮に入れるとアルミナ長繊維から形成された布あるいは綿が結合防止材として適当である。また、特に溝内に仕込む必要があるときには、アルミナ長繊維から形成された布が結合防止材として適当である。
【００１０】
また、本発明の第一壁構造物の製造方法は、銅もしくは銅合金にステンレス鋼製の水管を挟み込んでブロックを形成し、そのブロックの裏側にステンレス鋼の裏板を当接させて、接合防止材を介して薄いステンレス鋼製キャニング材で囲繞密封して、加熱下で静圧を印加して拡散接合し、キャニング材を剥離して中間構造物を得た後、さらにその中間構造物の銅表面側にベリリウムを当接させて、再度接合防止材を介して薄いキャニング材で囲繞密封して、加熱下で静圧を印加して拡散接合することを特徴とする。
【００１１】
本発明の第一壁構造物製造法によれば、幾つかの異なる材料を含み多数の冷却管を内蔵した複雑な構成を有する第一壁を、部材同士が互いに強固な接合面を介して合体したものとして比較的容易に形成して、キャニング材と接合防止材を簡単に剥離して製品とすることができる。
このようにして形成した第一壁は、核融合炉のプラズマから受ける輻射熱と壁内部で発生する核発熱を熱伝導性のよい銅あるいは銅合金で冷却管に伝導し冷却管内の冷媒で外部に排泄することができるので、耐熱性が高く寿命が長い。
【００１２】
また、第一壁には垂直方向、すなわち真空容器内の構造物に流れる渦電流に対して垂直方向にスリットを設けて、渦電流の発生を抑制するようにする必要がある。このスリットは、上記熱間静圧接合法により構造物を形成した後で機械加工により形成することができる。
本願発明では、接合前の部材に予めスリットを入れて、このスリット内に接合防止材を挿入しておいてから、キャニングして熱間静圧接合法を適用する。この方法によれば、熱間静圧接合法施工後にスリット内の接合防止材を除去することにより、極めて容易にスリットを形成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
【実施例】
本実施例は、本発明の熱間静圧接合法を用いた第一壁の製造方法である。
図１は本実施例で対象とする第一壁の斜視図、図２はホールダを含む垂直面で切断したときの断面図、図３は図２の切断面に垂直な面で基板部分を切断した断面図、図４は上部を水平面で切断したときの断面図、図５は本実施例の第一壁製造方法において始めの工程の部材の組み合わせを説明する分解組立図、図６は後の工程における部材の組み合わせを説明する分解組み立て図、図７は第一壁上端部の拡大斜視図である。
【００１５】
本実施例で製造しようとする製品は、図１から図４に示したような核融合炉の第一壁で、ステンレス鋼の基板１に熱伝導体として銅ベースの金属層２を介在させて表面にベリリウム板３が張り付けられた構造になっている。銅ベース金属層２の中には冷却管４が通っている。基板１中には給水ヘッダー１１とこれに接続する給水孔１２、および排水ヘッダー１３とこれに接続する排水孔１４が、上下に対応して例えば６対設けられている。給水孔１２のヘッダーと反対側端は給水サブヘッダー１５に接続され、排水孔１４のヘッダーと反対側端は排水サブヘッダー１６に接続されている。給水サブヘッダー１５と排水サブヘッダー１６はそれぞれ接続された２本の冷却管４により連絡されている。
また、給水ヘッダー１１と排水ヘッダー１３は支持部材５に設けられた給水孔５１と排水孔５２にそれぞれ接続されている。
【００１６】
第一壁には、渦電流の発生を抑制するため縦方向に幅約１ｍｍのスリット６が入れられている。スリット６は給水孔１２と排水孔１４の対を区切る位置に、ベリリウム層３と銅金属層２については上から下まで貫通して、またステンレス基板１については給水ヘッダー１１と排水ヘッダー１３の部分を残して設けられている。
支持部材５を介して外部から供給された冷却水は、給水ヘッダー１１から給水孔１２を通って冷却管４に供給され、第一壁内及び表面に発生する熱を吸収して排水孔１４を通って排水ヘッダー１３を介して外部に排出される。
【００１７】
本実施例における製造方法を図５と図６により説明する。
図５は、冷却管４を通した銅金属層２をステンレス基板１上に固定する工程における部材の組み立て方法を示す分解組み立て図である。
冷却管４はステンレス鋼管で、銅金属層２の面に沿って伸び、上端と下端でステンレス基板１側に折れ曲がった形状を有する。銅金属層２は、表面側の表面部材２１とステンレス基板１側の内面部材２２に分割されており、それぞれ対向する面に冷却管４を嵌合して案内する溝が冷却管の数だけ並列して設けられている。ステンレス基板１はステンレス製の平板部材であって、上端と下端に冷却管４に嵌合する溝を設けている。さらにステンレス基板１の上端部と下端部にカバー部材１７が当接するようにする。このカバー部材１７にはそれぞれ冷却管４の端部に嵌合する溝が設けられている。
【００１８】
これらの部材を組み合わせた上で、その全周にアルミナ繊維製の布地からなる接合防止材７１，７２，７３，７４を介してシール材７５，７６，７７，７８を当てて囲繞し、シール材同士をシール溶接して密封する。シール材は厚さ約１ｍｍの鋼製の薄板を利用することができる。
接合する部材の背面に当てる接合防止材７１とシール材７５には、冷却管４が通る穴７９，８０が開けられていて、シール材７５を冷却管４の外壁に溶接で接合して、シール材７５，７６，７７，７８で囲繞された部分を気密にする。また、接合部材の一方の側面に当てる接合防止材７２とシール材７６には適当な穴が設けられ、シール材７６には真空配管と接続される真空ノズル８１が設けられている。
【００１９】
各部のシール溶接を完了した後に、真空ノズル８１から吸引してシール材７５，７６，７７，７８で囲繞された内部空間を真空にする。内部空間の真空が確認された後、真空ノズル８１を封止して気密シールを行う。このようにして得られたシール材で囲繞され真空を維持した接合部材ブロックは、部材の接触面に加圧媒体が滲入しないので、静圧は柔軟なシール材を介して部材に作用して接合面に及ぶ。組み上げた接合部材ブロックを熱間静圧接合装置にセットし、例えば１０００℃から１１００℃に加熱した状態でアルゴン圧もしくはヘリウム圧１５０ＭＰａから２００ＭＰａを印加して処理する。すると、接合部材の接触面が高温下で圧接する間に物質の拡散が起こり相互に冶金的に接合するため、極めて強固に一体化した構造体を得ることができる。
【００２０】
その後、装置から取り外して、シール材７５，７６，７７，７８を接合部材から剥離し、冷却管４がステンレス基板１の裏面から突出している部分を削り落として平面にして中間構造体を形成する。シール材と接合部材の間に介在している接合防止材は、接合部材ともシール材とも馴染まない上、高温下の処理を受けても性能の劣化が小さいので、シール材と接合防止材は接合部材から簡単に剥離することができる。従って、従来の熱間静圧接合法による場合のように構造体表面に融着したシール材層を研削することにより形状を整えたりしなくても、接合防止材とシール材を剥離すればそのまま設計通りの形状を備えた中間構造体になるので、表面処理工程が簡略化する利点がある。
【００２１】
次に、図６に示すような組み立てにより、上記中間構造体の表面にベリリウム層を形成する。
中間構造体７の全面にベリリウム層３を当接させて、その周囲にアルミナ繊維製の接合防止材８２，８３，８４，８５を介してシール材８６，８７，８８，８９を当てて囲繞し、シール材同士をシール溶接して密封する。また、中間構造体７の一方の側面に当てる接合防止材８３には適当な穴が設けられ、これに対応するシール材８７には真空ノズル９０が設けられている。
【００２２】
各部のシール溶接を完了した後に、真空ノズル９０から吸引してシール材８６，８７，８８，８９で囲繞された内部空間を真空にして、真空ノズル９０を封止して気密シールを行う。シール材を囲繞し真空を維持した中間構造体を熱間静圧接合装置にセットし、例えば５５０℃から６２５℃に加熱した状態でアルゴン圧１５０ＭＰａから２００ＭＰａを印加して処理すると、ベリリウム層３と中間構造体７の銅金属表面が拡散接合して強固に一体化した構造体を得ることができる。
処理後の構造体を熱間静圧接合装置から取り外して、接合防止材８２，８３，８４，８５とシール材８６，８７，８８，８９を剥離し、設計通りの形状を備えた第一壁構造体を得る。
【００２３】
こうして得られた第一壁構造体において、ステンレス基板１中に冷却水路１１，１３、１２，１４を形成し、銅金属層２中の冷却管４に接続するサブヘッダー１５，１６を形成するため、ステンレス基板１の中央部および上端部と下端部に簡単な機械加工を行う。
まず、ステンレス基板１の横腹から給水ヘッダー１１と排水ヘッダー１３となる穴を貫通させる。この穴は、後に、両端にプラグを当てて溶接で密封する。
【００２４】
また、図７の拡大斜視図に示すように、ステンレス基板１の上端と下端でそれぞれ間仕切り１８を残して切り欠き、冷却管４の端面を露出させ、さらにステンレス基板１の中央部に設けた給水ヘッダー１１と連通する給水孔１２と、排水ヘッダー１３と連通する排水孔１４を鑽孔する。この切り欠き部１９は、内側に切り欠きを有する蓋体２０をかぶせて溶接で固定し、給水孔１２もしくは排水孔１４と例えば２個の冷却管４を連通するための給水サブヘッダー１５もしくは排水サブヘッダー１６を形成する。
【００２５】
間仕切り１８の位置に、約１ｍｍのスリット６を入れる。スリット６は、ステンレス基板１の部分では給水ヘッダー１１や排水ヘッダー１３まで達しない位置までに止め、銅金属層２とベリリウム層３では上端から下端まで貫通して形成する。スリット６は例えばウオータージェットで加工することができる。
最後に、ステンレス基板１の背面に電子ビーム溶接により支持部材５を固定し、給水孔５１と排水孔５２がそれぞれ給水ヘッダー１１と排水ヘッダー１３と連通するように設ける。
【００２６】
なお、熱間静圧接合法により構造体を形成した後でスリット６を形成する代わりに、あらかじめスリットを形成したステンレス鋼材とスリット位置で切断して細片化した銅金属板とベリリウム板を組み合わせて熱間静圧接合法で加工処理し一体化して第一壁を製造することができる。
この場合は、ステンレス鋼材に形成したスリットの中に接合防止材を押し込んだり、銅金属板やベリリウム板のスリット位置に接合防止材を挟み込んでから、これらの部材を組み合わせて、その全周に接合防止材を介してシール材を当てて囲繞しシール溶接して密封し、熱間静圧接合法で加工処理する。
このように、スリット部分に接合防止材を仕込むことで、熱間静圧接合法を施工してもスリット部分が拡散接合することがなく、また施工後に接合防止材を引き剥がすことにより簡単にスリットが復元される。
したがって、構造体を形成した後で機械的な加工を行ってスリットを形成するのと比較して、極めて容易に第一壁を製造することができる。
【００２７】
本発明の熱間静圧接合法により製作した第一壁は、冷却管が独立した円管体で形成されるので、異形断面の冷却ダクトと比較して応力集中が低減し、熱荷重、内圧荷重、非対称な電磁力負荷に対して、耐圧バウンダリーとしての健全性能が強化される。また、円形断面の冷却管を利用することにより、必要冷却量が与えられれば、あとは配置間隔と管径さえ決めればよく、設計が簡素化される。
さらに、接合部材は接合前処理として複雑な工作を必要としないため、従来工法と比較して加工工程が少なくなり、製造コストが低減する。
【００２８】
また、冷却管の周囲をステンレス鋼より熱伝導度が数１０倍高い銅もしくは銅合金で囲繞するため冷却効果が大きくなるので、プラズマディスラプションが起きて第一壁最外面に極端な温度ピークが発生したときにも、短時間かつ一様に冷却することが出来る。
なお、本発明の製法で製作した第一壁は、冷却管を両側から同じ銅金属で挟み込む構造を持つため、相互拡散により接合面における同質性に優れる。したがて、大きな電磁力によるせん断荷重や曲げ荷重を受けても、接合界面に亀裂が発生しにくく、設計の信頼性が高い。
【００２９】
なお、上記実施例は、本発明の熱間静圧接合法を核融合炉第一壁の製造に適用した例であるが、本発明の対象は第一壁に限らず、従来のキャニングを用いる熱間静圧接合法が適用できるもの全てに適用することができることは言うまでもない。
また、上記実施例における接合防止材はアルミナ繊維製の綿もしくは布地を用いたが、対象とする接合部材の材質と形状に従って適当なものを選択することができる。カーボンや窒化ホウ素などの難焼結性セラミックも使用することができ、また粉体を表面に塗布するようにしても良い。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、従来の方法ではシール材が製品表面に付着するため後加工が必要になるところ、本発明の熱間静圧接合法は、シール材を簡単に剥離させることができるため、簡単な仕上げ加工で精度の高い製品を得ることができる。また、スリット部分がある場合も、あらかじめスリット加工した部材を組み立てて熱間静圧接合させることにより、精度の高いスリットを形成することができる。
特に、核融合炉第一壁のような複合構造体についても、本発明の熱間静圧接合法を用いることにより簡単かつ低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱間静圧接合法の実施例で対象とする第一壁の斜視図である。
【図２】図１の第一壁を垂直面で切断したときの断面図である。
【図３】図１の第一壁を図２の切断面に垂直な面で切断したときの断面図である。
【図４】図１の第一壁の上部を水平面で切断したときの断面図である。
【図５】本実施例の第一壁製造方法において始めの工程の部材の組み合わせを説明する分解組立図である。
【図６】本実施例の第一壁製造方法において後の工程における部材の組み合わせを説明する分解組立図である。
【図７】本実施例で製造する第一壁の上端部の部分拡大斜視図である。
【図８】従来の熱間静圧接合法で製作した部材の断面図である。
【図９】従来の熱間静圧接合法における初期の工程を説明する分解組立図である。
【図１０】従来の熱間静圧接合法における中間構造体を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  ステンレス鋼の基板
２  銅金属層
３  ベリリウム層
４  冷却管
５  支持部材
６  スリット
７  中間構造体
１１  給水ヘッダー
１２  給水孔
１３  排水ヘッダー
１４  排水孔
１５  給水サブヘッダー
１６  排水サブヘッダー
１７  カバー部材
２１  表面部材
２２  内面部材
５１  給水孔
５２  排水孔
７１，７２，７３，７４  接合防止材
７５，７６，７７，７８  シール材
７９，８０  冷却管用穴
８１  真空ノズル
８２，８３，８４，８５  接合防止材
８６，８７，８８，８９  シール材
９０  真空ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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