(57)【要約】【課題】表面材と基盤との接合強度を向上し、且つ、施工性を向上させることができる核融合装置の第１壁、及び、核融合装置の第１壁の製造方法を提供する。【解決手段】冷却手段４０を有する基盤３０と、プラズマに対向して前記基盤３０に接合される表面材１０とを有する核融合装置の第１壁において、前記基盤３０の接合面をコーティングし、酸化膜５１を生成するコーティング材５０と、前記酸化膜５１を介して前記表面材１０と前記基盤３０とを接合するセラミック系接合材２０とを備えることを特徴とするので、表面材と基盤との接合強度を向上し、且つ、施工性を向上させることができる核融合装置の第１壁、及び、核融合装置の第１壁の製造方法を提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却手段を有する基盤と、プラズマに対向して前記基盤に接合される表面材とを有する核融合装置の第１壁において、
前記基盤の接合面をコーティングし、酸化膜を生成するコーティング材と、
前記酸化膜を介して前記表面材と前記基盤とを接合するセラミック系接合材とを備えることを特徴とする、
核融合装置の第１壁。
【請求項２】
前記コーティング材は、アルミニウムを有することを特徴とする、
請求項１に記載の核融合装置の第１壁。
【請求項３】
前記コーティング材は、前記アルミニウムに該アルミニウムの融点を低下させる低融点化材を添加した材であることを特徴とする、
請求項２に記載の核融合装置の第１壁。
【請求項４】
前記コーティング材は、クロムを有し、
前記酸化膜は、前記クロムの表面を熱処理することで生成されることを特徴とする、
請求項１に記載の核融合装置の第１壁。
【請求項５】
前記セラミック系接合材は、異なる種類のセラミック系接合材を積層させたものであることを特徴とする、
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の核融合装置の第１壁。
【請求項６】
前記表面材は、ベリリウム又はベリリウム化合物により構成されることを特徴とする、
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の核融合装置の第１壁。
【請求項７】
前記表面材は、タングステン又はタングステン化合物により構成され、
さらに、前記表面材の接合面をコーティングし、酸化膜を生成するコーティング材を備えることを特徴とする、
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の核融合装置の第１壁。
【請求項８】
前記基盤は、銅又は銅合金により構成されることを特徴とする、
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の核融合装置の第１壁。
【請求項９】
前記セラミック系接合材は、前記表面材又は前記基盤と線膨張率が近い材料であることを特徴とする、
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の核融合装置の第１壁。
【請求項１０】
前記セラミック系接合材は、電気伝導材を含んでいることを特徴とする、
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の核融合装置の第１壁。
【請求項１１】
酸化膜を生成する材料により冷却手段を有する基盤の表面をコーティングし、該酸化膜を有する前記基盤とプラズマに対向する表面材とをセラミック系接合材により接合して、第１壁を製造することを特徴とする、
核融合装置の第１壁の製造方法。
【請求項１２】
前記酸化膜を生成する材料によるコーティングは、アルミニウムのろう付けによるコーティングであることを特徴とする、
請求項１１に記載の核融合装置の第１壁の製造方法。
【請求項１３】
前記アルミニウムのろう付けは、前記アルミニウムに該アルミニウムの融点を低下させる低融点化材を添加して行うことを特徴とする、
請求項１２に記載の核融合装置の第１壁の製造方法。
【請求項１４】
前記酸化膜を生成する材料によるコーティングは、クロムメッキによるコーティングであり、
前記セラミック系接合材による接合は、前記クロムメッキの前記セラミック系接合材に対向する面を熱処理した後に行うことを特徴とする、
請求項１１に記載の核融合装置の第１壁の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核融合装置に関し、特に、真空容器内に設けられ、プラズマを取り囲むブランケットの表面に設けられる核融合装置の第１壁及び核融合装置の第１壁の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
核融合装置は、高温核融合反応を制御し、例えば、そのエネルギーを電気エネルギーとして取り出す装置であり、炉心となるプラズマを高温高密度で内部に閉じ込める真空容器を備える。真空容器の内側には、プラズマを取り囲むブランケットが設けられている。また、ブランケットのプラズマに対向する表面には、いわゆる第１壁が設置され、さらにブランケットの片側にプラブマから不純物を取り除くダイバータが設置されている。高温プラズマが前記真空容器の内壁に接触すると内壁が熱的な損傷を受けて、不純物が内壁の表面からプラズマに逆流して混入してしまう。そのため、第１壁は、この高温、高エネルギーのプラズマからの高熱負荷、高粒子負荷から真空容器、ダイバータ等の機器を保護する。真空容器の外側には、プラズマを封じ込めるトロイダルコイルが設置され、その外側にプラズマの状態をコントロールするポロイダルコイルが設けられている。
【０００３】
また、このような核融合装置としては、プラズマ粒子封入用真空容器、該真空容器の外周に配置された磁場発生用コイル及び前記真空容器のプラズマ粒子にさらされる第１壁を備え、この第１壁が分割された多数の耐熱性セラミックタイルと冷却通路を有する金属基体とを接合した積層構造をなす核融合装置がある（例えば、特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開昭５９−１５１０８４号公報
【０００５】
このような従来の核融合装置の第１壁として、タイルと金属基体とをＨＩＰ処理（Ｈｏｔ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓ；熱間静水圧加圧成形）により接合したものがある。このＨＩＰ接合は、高温でガスを圧力媒体として材料の表面に同時に等しい圧力（静水圧）を働かせて、接合を行うプロセスであり、タイルと金属基体を金属カプセル等で真空封止して接合する。また、他の核融合装置の第１壁として、ろう付けによりタイルと金属基体とを接合したものもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＨＩＰ処理により接合する核融合装置の第１壁の場合、高温・高圧での施工となることから、大型な設備が必要で施工が大掛かりとなり、また、高い面あわせ精度も必要である。このため、多大な製造コストがかかることがあった。また、ベリリウムタイルをろう付けにより接合する核融合装置の第１壁の場合、ベリリウムタイルがろう材と金属間化合物をつくりやすく、この金属間化合物が脆いため、適正な接合強度を確保できないことがあった。
【０００７】
そこで本発明は、表面材と基盤との接合強度を向上し、且つ、施工性を向上させることができる核融合装置の第１壁、及び、核融合装置の第１壁の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による核融合装置の第１壁は、冷却手段を有する基盤と、プラズマに対向して前記基盤に接合される表面材とを有する核融合装置の第１壁において、前記基盤の接合面をコーティングし、酸化膜を生成するコーティング材と、前記酸化膜を介して前記表面材と前記基盤とを接合するセラミック系接合材とを備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明による核融合装置の第１壁では、前記コーティング材は、アルミニウムを有することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明による核融合装置の第１壁では、前記コーティング材は、前記アルミニウムに該アルミニウムの融点を低下させる低融点化材を添加した材であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明による核融合装置の第１壁では、前記コーティング材は、クロムを有し、前記酸化膜は、前記クロムの表面を熱処理することで生成されることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明による核融合装置の第１壁では、前記セラミック系接合材は、異なる種類のセラミック系接合材を積層させたものであることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係る発明による核融合装置の第１壁では、前記表面材は、ベリリウム又はベリリウム化合物により構成されることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に係る発明による核融合装置の第１壁では、前記表面材は、タングステン又はタングステン化合物により構成され、さらに、前記表面材の接合面をコーティングし、酸化膜を生成するコーティング材を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項８に係る発明による核融合装置の第１壁では、前記基盤は、銅又は銅合金により構成されることを特徴とする。
【００１６】
請求項９に係る発明による核融合装置の第１壁では、前記セラミック系接合材は、前記表面材又は前記基盤と線膨張率が近い材料であることを特徴とする。
【００１７】
請求項１０に係る発明による核融合装置の第１壁では、前記セラミック系接合材は、電気伝導材を含んでいることを特徴とする。
【００１８】
上記目的を達成するために、請求項１１に係る発明による核融合装置の第１壁の製造方法は、酸化膜を生成する材料により冷却手段を有する基盤の表面をコーティングし、該酸化膜を有する前記基盤とプラズマに対向する表面材とをセラミック系接合材により接合して、第１壁を製造することを特徴とする。
【００１９】
請求項１２に係る発明による核融合装置の第１壁の製造方法では、前記酸化膜を生成する材料によるコーティングは、アルミニウムのろう付けによるコーティングであることを特徴とする。
【００２０】
請求項１３に係る発明による核融合装置の第１壁の製造方法では、前記アルミニウムのろう付けは、前記アルミニウムに該アルミニウムの融点を低下させる低融点化材を添加して行うことを特徴とする。
【００２１】
請求項１４に係る発明による核融合装置の第１壁の製造方法では、前記酸化膜を生成する材料によるコーティングは、クロムメッキによるコーティングであり、前記セラミック系接合材による接合は、前記クロムメッキの前記セラミック系接合材に対向する面を熱処理した後に行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１に係る発明による核融合装置の第１壁によれば、冷却手段を有する基盤と、プラズマに対向して基盤に接合される表面材とを有する核融合装置の第１壁において、基盤の接合面をコーティングし、酸化膜を生成するコーティング材と、酸化膜を介して表面材と基盤とを接合するセラミック系接合材とを備える。
【００２３】
したがって、無機材料であるセラミック系接合材により、接合面に酸化膜を有する基盤と表面材とが接合され、このセラミック系接合材が酸化膜と非常に良好に結合するため、セラミック系接合材がこの強固な酸化膜と結合している面ではがれるように剥離してしまうことが抑制され、また、このセラミック系接合材がプラズマから発生する中性子の衝突によっても変化を起こすことがないことから、表面材と基盤との接合強度を向上することができる。さらに、接合にセラミック系接合材を用いることから、比較的低温の大気中で施工することができ、また、大型な設備や高い施工精度も必要ないので、第１壁の施工性を向上させることができる。
【００２４】
請求項２に係る発明による核融合装置の第１壁によれば、コーティング材は、アルミニウムを有する。したがって、アルミニウムの表面に強固な酸化膜としてのアルミナ膜を生成し、セラミック系接合材がこのアルミナ膜と非常に良好に結合するため、このセラミック系接合材がこのアルミナ膜と結合している面ではがれるように剥離してしまうことが抑制されるので、表面材と基盤との接合強度をさらに向上させることができる。
【００２５】
請求項３に係る発明による核融合装置の第１壁によれば、コーティング材は、アルミニウムに該アルミニウムの融点を低下させる低融点化材を添加した材である。したがって、アルミニウムの融点が低下することで施工温度を緩和させることができるので、施工性をより向上させることができる。さらに、アルミニウムで基盤をコーティングする際の熱の影響を抑制することができるので、基盤の強度が落ちることを防止することができる。
【００２６】
請求項４に係る発明による核融合装置の第１壁によれば、コーティング材は、クロムを有し、酸化膜は、前記クロムの表面を熱処理することで生成される。したがって、クロムの表面に強固な酸化膜としてのクロム酸化膜を生成し、セラミック系接合材がこのクロム酸化膜と非常に良好に結合するため、このセラミック系接合材がこのクロム酸化膜と結合している面ではがれるように剥離してしまうことが抑制されるので、表面材と基盤との接合強度をさらに向上させることができる。
【００２７】
請求項５に係る発明による核融合装置の第１壁によれば、セラミック系接合材は、異なる種類のセラミック系接合材を積層させたものである。したがって、基盤と表面材との間に異なる種類のセラミック系接合材を積層させることで、例えば、基盤と表面材との線膨張率が大きく異なり、この線膨張率の違いにより熱応力が発生するような場合でも、この積層された部分が熱応力に対する緩衝材として作用するので、表面材と基盤との良好な接合強度を保つことができる。また、セラミック系接合材に傾斜機能（性質が材料のなかで連続的又は段階的に変化する機能）が付加されることで、適用範囲を拡大することができる。
【００２８】
請求項６に係る発明による核融合装置の第１壁によれば、表面材は、ベリリウム又はベリリウム化合物により構成される。したがって、ベリリウムは融点が高く、高い耐熱特性と熱伝導性を持つ金属であり、プラズマの高熱・高粒子負荷に耐え、プラズマによるスパッタリングによって高い原子番号の不純物原子がプラズマに混入することを防止することができる。さらに、ベリリウムは、表面に酸化膜を生成しやすいことから、セラミック系接合材がこのベリリウムの表面の酸化膜と非常に良好に結合するため、このセラミック系接合材がこの酸化膜と結合している面ではがれるように剥離してしまうことが抑制されるので、表面材と基盤との接合強度をさらに向上させることができる。
【００２９】
請求項７に係る発明による核融合装置の第１壁によれば、表面材は、タングステン又はタングステン化合物により構成され、さらに、表面材の接合面をコーティングし、酸化膜を生成するコーティング材を備える。したがって、タングステンは融点が非常に高く、高い耐熱特性と熱伝導性を持つ金属であり、高温における蒸気圧が小さく、ガス放出が極めて少ない金属であるので、プラズマの高熱負荷に耐え、不純物がプラズマに混入することを抑制することができる。さらに、セラミック系接合材が表面材の接合面に生成される酸化膜と非常に良好に結合するため、セラミック系接合材がこの強固な酸化膜と結合している面ではがれるように剥離してしまうことが抑制されるので、表面材と基盤との接合強度をさらに向上することができる。
【００３０】
請求項８に係る発明による核融合装置の第１壁によれば、基盤は、銅又は銅合金により構成される。したがって、銅は良質の熱伝導体であるので、プラズマの高温熱を冷却手段に効率よく伝導し冷却することができる。
【００３１】
請求項９に係る発明による核融合装置の第１壁によれば、セラミック系接合材は、表面材又は基盤と線膨張率が近い材料である。したがって、線膨張率の違いによる熱応力の発生を抑制できるので、表面材と基盤との良好な接合強度を保つことができる。
【００３２】
請求項１０に係る発明による核融合装置の第１壁によれば、セラミック系接合材は、電気伝導材を含んでいる。したがって、絶縁性を有するセラミック系接合材に電気伝導性を持たせることとなり、適切に電気を伝導することでチャージアップ（帯電）や放電を抑制することができ、表面材と基盤との接合強度が落ちることを防止することができる。
【００３３】
請求項１１に係る発明による核融合装置の第１壁の製造方法によれば、酸化膜を生成する材料により冷却手段を有する基盤の表面をコーティングし、該酸化膜を有する基盤とプラズマに対向する表面材とをセラミック系接合材により接合して、第１壁を製造する。
【００３４】
したがって、酸化膜を生成する材料により基盤の表面をコーティングし、無機材料であるセラミック系接合材により接合面に酸化膜を有する基盤と表面材とが接合され、このセラミック系接合材がこの酸化膜と非常に良好に結合するため、セラミック系接合材がこの強固な酸化膜と結合している面ではがれるように剥離してしまうことが抑制され、また、このセラミック系接合材がプラズマから発生する中性子の衝突によっても変化を起こすことがないことから、表面材と基盤との接合強度を向上することができる。さらに、セラミック系接合材を用いて接合することから、比較的低温の大気中で施工することができ、また、大型な設備や高い施工精度も必要ないので、第１壁の施工性を向上させることができる。
【００３５】
請求項１２に係る発明による核融合装置の第１壁の製造方法によれば、酸化膜を生成する材料によるコーティングは、アルミニウムのろう付けによるコーティングである。したがって、酸化膜を生成するアルミニウムを含む材料が加熱されて溶融し、再び常温に戻りながら硬化して基盤と結合して、基盤の表面をコーティングする。このとき、ろう付けされたアルミニウムの表面に強固な酸化膜としてのアルミナ膜を生成する。表面材と基盤とを接合するセラミック系接合材がこのアルミナ膜と非常に良好に結合するため、このセラミック系接合材がこのアルミナ膜と結合している面ではがれるように剥離してしまうことが抑制されるので、表面材と基盤との接合強度をさらに向上させることができる。
【００３６】
請求項１３に係る発明による核融合装置の第１壁の製造方法によれば、アルミニウムのろう付けは、アルミニウムに該アルミニウムの融点を低下させる低融点化材を添加して行う。したがって、アルミニウムの融点が低下することで施工温度を緩和させることができるので、施工性をより向上させることができる。さらに、アルミニウムで基盤をコーティングする際の熱の影響を抑制することができるので、基盤の強度が落ちることを防止することができる。
【００３７】
請求項１４に係る発明による核融合装置の第１壁の製造方法によれば、酸化膜を生成する材料によるコーティングは、クロムメッキによるコーティングであり、セラミック系接合材による接合は、クロムメッキのセラミック系接合材に対向する面を熱処理した後に行う。したがって、酸化膜を生成するクロムを含む材料が加熱されて溶融し、再び常温に戻りながら硬化して基盤と結合して、クロムメッキにより基盤の表面をコーティングする。その後、このクロムメッキの表面を熱処理することで表面に強固な酸化膜としてのクロム酸化膜を生成する。表面材と基盤とを接合するセラミック系接合材がこのクロム酸化膜と非常に良好に結合するため、このセラミック系接合材がこのクロム酸化膜と結合している面ではがれるように剥離してしまうことが抑制されるので、表面材と基盤との接合強度をさらに向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下に、本発明に係る核融合装置の第１壁の製造方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００３９】
図１は、本発明の実施例１に係る核融合装置の第１壁の模式的な断面図である。核融合装置は、高温核融合反応を制御し、例えば、そのエネルギーを電気エネルギーとして取り出す装置であり、炉心となるプラズマを高温高密度で内部に閉じ込める真空容器を備える。真空容器の外側には、プラズマを封じ込めるトロイダルコイルが設置され、その外側にプラズマの状態をコントロールするポロイダルコイルが設けられている。真空容器の内側には、プラズマを取り囲むブランケットが設けられ、さらにブランケットの片側にプラブマから不純物を取り除くダイバータが設置される。本図に示す核融合装置の第１壁１０１は、このブランケットのプラズマに対向する表面に設置される。高温プラズマが前記真空容器の内壁に接触すると、内壁が熱的な損傷を受けてこの内壁表面から不純物がプラズマに逆流して混入してしまう。第１壁１０１は、この高温、高エネルギーのプラズマによる高熱負荷、高粒子負荷から真空容器、ダイバータ等の機器を保護するものである。
【００４０】
第１壁１０１は、内部に冷却手段としての冷却チャンネル４０を有する基盤と、プラズマに対向してこの基盤に接合される表面材とを備える。表面材は、ブロック状またはタイル状であり、低い原子番号で高い耐熱性を有するベリリウムタイル１０（以下「Ｂｅタイル１０」と略記する。）を用いる。基盤は、プラズマの超高温熱を良好に吸収するために、高い熱伝導性を有する材として、クロム−ジルコニウム−銅合金基盤３０（ＣｒＺｒＣｕ合金基盤、以下「Ｃｕ合金基盤３０」と略記する。）を用いる。冷却チャンネル４０は、内部に冷媒を流通させる。
【００４１】
表面材に用いるベリリウムは、極めて低密度で、融点が高く（融点は１３００℃以上）、高い耐熱特性と熱伝導性（熱伝導率は２００Ｗ／（ｍ・℃）程度）を持つ金属であり、１．１×１０-5／℃程度の線膨張率を有する。また、Ｂｅタイル１０は、プラズマの高熱・高粒子負荷に耐え、プラズマによるスパッタリングによって高い原子番号の不純物原子がプラズマに混入することを防止する。また、Ｂｅタイル１０は、表面に強固な酸化膜１１を生成しやすい。
【００４２】
基盤に用いる銅は、良質の熱伝導体であり（熱伝導率は３９８Ｗ／（ｍ・℃）程度）、１．６×１０-5／℃程度の線膨張率を有する。したがって、Ｃｕ合金基盤３０は、プラズマの超高温熱を冷却チャンネル４０に効率よく伝導し冷却することができる。
【００４３】
第１壁１０１は、プラズマに対向するＢｅタイル１０の表面から伝わる熱を裏面のＣｕ合金基盤３０に熱伝導させて、冷却チャンネル４０を流れる冷媒でこの熱を奪う構造となっている。Ｂｅタイル１０は、プラズマの高熱負荷、高粒子負荷等の衝撃力を緩やかにするものとして機能する一方、Ｃｕ合金基盤３０は良好な熱吸収体として機能する。
【００４４】
ところで、この第１壁１０１は、Ｃｕ合金基盤３０の接合面（Ｂｅタイル１０に対向する側の表面）をコーティングし、酸化膜５１を生成するコーティング材としてのアルミニウム箔のろう材５０（以下「Ａｌろう５０」と略記する。）と、この酸化膜５１を介してＢｅタイル１０とＣｕ合金基盤３０とを接合するセラミック系接合材としてのセラミックボンド２０とを備えることで、Ｂｅタイル１０とＣｕ合金基盤３０とを接合するようにしている。
【００４５】
すなわち、Ａｌろう５０は、加熱されて溶融し、再び常温に戻りながら硬化してＣｕ合金基盤３０の接合面と結合してろう付けされ、Ｃｕ合金基盤３０の接合面をコーティングする。このとき、Ａｌろう５０は、Ｃｕ合金基盤３０と良好に結合し、さらに、融点から室温に戻るまでに、表面に成り行きで強固な酸化膜５１としてアルミナ膜（アルミニウムの酸化物）を生成する。一方、上述したように、Ｂｅタイル１０は、接合面（Ｃｕ合金基盤３０に対向する側の表面）に強固な酸化膜１１を生成しやすい。セラミックボンド２０は、Ａｌろう５０のＢｅタイル１０側の表面に塗布され、この塗布した面にＢｅタイル１０を固定して、およそ１００℃程度の焼成温度で２時間ほどで焼成される。セラミックボンド２０は、酸化膜と非常に良好に結合することから、このセラミックボンド２０が強固な酸化膜と接合している面からはがれるように剥離してしまうことが抑制されるので、Ｂｅタイル１０とＣｕ合金基盤３０との接合は非常に強固なものとなる。
【００４６】
ここで、セラミックボンド２０は、Ｂｅタイル１０、Ｃｕ合金基盤３０と線膨張率が近い材料としてマグネシア系セラミックボンドを用いる。マグネシア系セラミックボンドは、バインダとし珪酸ソーダ（Ｎａ2ＳiＯ3）を用い、骨材としてマグネシア（マグネシウムの酸化物）を用いる。マグネシア系セラミックボンドの線膨張率は、およそ１．４×１０-5／℃程度であり、電気絶縁性、耐熱性、熱伝導性に優れる。セラミックボンド２０に、Ｃｕ合金基盤３０と線膨張率が近い材料としてマグネシア系セラミックボンドを用いることで、線膨張率の違いによる熱応力の発生を抑制することができる。なお、線膨張率が近い材料としては、Ｂｅタイル１０、Ｃｕ合金基盤３０の線膨張率との差が、例えば、１．０×１０-5／℃程度以下、好ましくは０．５×１０-5／℃程度以下の材料を用いるとよい。線膨張率の差がこれよりも大きくなると、線膨張率の違いによる熱応力の発生を抑制することができなくなることがある。
【００４７】
以上で説明した本発明の実施例１に係る核融合装置の第１壁１０１によれば、Ｃｕ合金基盤３０の接合面をコーティングし、強固な酸化膜５１としてのアルミナ膜を生成するＡｌろう５０と、この酸化膜５１としてのアルミナ膜を介してＢｅタイル１０とＣｕ合金基盤３０を接合するセラミックボンド２０とを備える。
【００４８】
したがって、無機材料であるセラミックボンド２０により、接合面に強固な酸化膜５１としてのアルミナ膜を有するＣｕ合金基盤３０とＢｅタイル１０とが接合され、このセラミックボンド２０が銅の酸化体のように融点が低く不安定な酸化膜ではなく、Ａｌろう５０の表面に生成された強固な酸化膜５１としてのアルミナ膜と非常に良好に結合するため、このセラミックボンド２０が強固な酸化膜５１と接合している面ではがれるように剥離してしまうことが抑制され、また、このセラミックボンド２０がプラズマから発生する中性子の衝突によっても変化を起こすことがないことから、Ｂｅタイル１０とＣｕ合金基盤３０との接合強度を向上することができる。また、Ｂｅタイル１０も、表面に強固な酸化膜１１を形成しやすく、セラミックボンド２０がこのＢｅタイル１０の接合面の酸化膜１１と非常に良好に結合するので、このセラミックボンド２０がＢｅタイル１０の酸化膜１１と結合している面ではがれるように剥離してしまうことが抑制され、Ｂｅタイル１０とＣｕ合金基盤３０との接合強度を向上させることができる。
【００４９】
さらに、接合にセラミックボンド２０を用いることから、焼成温度を低く済ませることができるため、比較的低温の大気中で施工することができ、また、例えば、ＨＩＰ処理のように、大型な設備や高い面あわせ精度も必要ないので、第１壁１０１の施工性を向上させることができる。また、比較的低温の大気中で施工可能で、大型な設備も必要ないことから、現場での製作（補修も製作の概念に含む。）にも適し、Ｂｅタイル１０の一部に損傷があった場合でも、第１壁１０１の全体（あるいはモジュール単位）を交換する必要がなく、この損傷がある部分だけを容易に補修することができるので、イニシャルコスト、ランニングコスト共に削減することができる。
【００５０】
さらに、Ｂｅタイル１０とＡｌろう５０との間にセラミックボンド２０の層があることから、Ｂｅタイル１０がろう材との間で金属間化合物をつくることが抑制され、この脆い金属間化合物に起因して、適正な接合強度を確保できないということを防止することができる。
【００５１】
さらに、以上で説明した本発明の実施例１に係る核融合装置の第１壁１０１によれば、表面材として、高い耐熱性を有し低い原子番号であるＢｅタイル１０を用いる。したがって、プラズマによるスパッタリングが起こることを防止し、不純物がプラズマに混入することを防止することができる。また、基盤として、高い熱伝導性を有するＣｕ合金基盤３０を用いるので、プラズマの超高温熱を冷却チャンネル４０に効率よく伝導し、冷却することができる。
【００５２】
さらに、以上で説明した本発明の実施例１に係る核融合装置の第１壁１０１によれば、セラミック系接合材として、Ｂｅタイル１０、Ｃｕ合金基盤３０と線膨張率が近いマグネシア系セラミックボンドを用いる。したがって、線膨張率の違いによる熱応力の発生を抑制できるので、Ｂｅタイル１０とＣｕ合金基盤３０との良好な接合強度を保つことができる。
【実施例２】
【００５３】
図２は、本発明の実施例２に係る核融合装置の第１壁の製造方法を示す模式図である。実施例２に係る核融合装置の第１壁の製造方法は、実施例１に係る核融合装置の第１壁１０１の製造方法である。実施例１と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、共通する構成については同一の符号を付す。
【００５４】
本実施例の核融合装置の第１壁１０１の製造方法は、まず、Ｃｕ合金基盤３０の接合面に、１０μｍ以下程度の厚みでＡｌろう５０を載置し、およそ５５５℃程度のろう付け温度で３０分程度加熱して溶融させ、常温で冷却する。溶融したＡｌろう５０は、常温に戻りながら硬化してＣｕ合金基盤３０の接合面と結合してろう付けされ、Ｃｕ合金基盤３０の接合面をコーティングする。このとき、Ａｌろう５０は、Ｃｕ合金基盤３０と良好に結合し、さらに、融点から室温に戻るまでに、表面に成り行きで強固な酸化膜５１としてアルミナ膜を生成する。Ａｌろう５０をろう付けしてＣｕ合金基盤３０の表面をコーティングした後、セラミックボンド２０をＡｌろう５０の表面に塗布する。その後、Ｂｅタイル１０をセラミックボンド２０が塗布されている面に固定し、およそ１００℃程度の焼成温度で２時間ほど焼成して、Ｃｕ合金基盤３０とＢｅタイル１０とを接合して、第１壁１０１を製作する。なお、Ｂｅタイル１０を接合する際は、Ｂｅタイル１０を多少押さえる必要があるが、単に固定されればよく過大な押し付け力は不要である。
【００５５】
以上で説明した本発明の実施例２に係る核融合装置の第１壁１０１の製造方法によれば、強固な酸化膜５１としてのアルミナ膜を生成するＡｌろう５０によりＣｕ合金基盤３０の接合面をコーティングし、無機材料であるセラミックボンド２０により接合面にこの酸化膜５１としてのアルミナ膜を有するＣｕ合金基盤３０とＢｅタイル１０とが接合され、このセラミックボンド２０がこの酸化膜５１としてのアルミナ膜と非常に良好に結合するため、セラミックボンド２０が酸化膜５１としてのアルミナ膜と結合している面ではがれるように剥離してしまうことが抑制され、また、このセラミックボンド２０がプラズマから発生する中性子の衝突によっても変化を起こすことがないことから、Ｃｕ合金基盤３０とＢｅタイル１０との接合強度を向上することができる。さらに、セラミックボンド２０を用いて接合することから、焼成温度を低く済ませることができるため、比較的低温の大気中で施工することができるので、第１壁１０１の施工性を向上させることができる。また、比較的低温の大気中で施工可能で、大型な設備も必要ないことから、現場での製作にも適し、Ｂｅタイル１０の一部に損傷があった場合でも、第１壁の全体（あるいはモジュール単位）を交換する必要がなく、この損傷がある部分だけを容易に補修することができるので、イニシャルコスト、ランニングコスト共に削減することができる。
【実施例３】
【００５６】
次に、本発明の実施例３に係る核融合装置の第１壁を説明する。実施例３に係る核融合装置の第１壁は、実施例１に係る核融合装置の第１壁１０１と略同様の構成であるが、Ａｌろう５０に低融点化材を添加する点で実施例１に係る核融合装置の第１壁１０１とは異なる。その他、実施例１と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、図１を参照して実施例３に係る核融合装置の第１壁を説明する。
【００５７】
本実施例では、Ｃｕ合金基盤３０の接合面をコーティングし、酸化膜を生成するコーティング材として、アルミニウムに該アルミニウムの融点を低下させる低融点化材を添加したＡｌろうを用いる。低融点化材は、ケイ素（Ｓi）やマグネシウム（Ｍｇ）などを用いることができ、ＡｌろうをＣｕ合金基盤３０にろう付けする前に添加しておけばよい。低融点化材をＡｌろうに添加すると、Ａｌろうの融点が低下することで、ろう付けの際の施工温度を低下させることができ、さらに、Ｃｕ合金基盤３０に対するろう付けの熱の影響を抑制することができる。
【００５８】
以上で説明した本発明の実施例３に係る核融合装置の第１壁によれば、コーティング材は、アルミニウムに該アルミニウムの融点を低下させる低融点化材を添加したＡｌろうである。したがって、Ａｌろうの融点が低下することで、ろう付けの際の施工温度を緩和させることができるので、施工性を向上させることができる。さらに、Ｃｕ合金基盤３０に対するろう付けの熱の影響を抑制することができるので、Ｃｕ合金基盤３０の強度が落ちることを防止することができる。
【実施例４】
【００５９】
図３は、本発明の実施例４に係る核融合装置の第１壁の模式的な断面図である。実施例４に係る核融合装置の第１壁４０１は、実施例１に係る核融合装置の第１壁１０１と略同様の構成であるが、酸化膜を生成するコーティング材として、アルミニウムに代えてクロムを用いる点で実施例１に係る核融合装置の第１壁１０１とは異なる。その他、実施例１と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、共通する構成については同一の符号を付す。
【００６０】
本実施例の第１壁４０１は、Ｃｕ合金基盤３０の表面をコーティングし、酸化膜を生成するコーティング材としてのクロムのメッキ４６０（以下「Ｃｒメッキ４６０」と略記する。）を備えることで、Ｂｅタイル１０とＣｕ合金基盤３０とを接合するようにしている。Ｃｒメッキ４６０は、Ｃｕ合金基盤３０と良好に結合し、表面の熱処理により強固な酸化膜４６１としてのクロム酸化膜を生成する。一方、上述したように、Ｂｅタイル１０は、表面に強固な酸化膜１１を形成しやすい。セラミックボンド２０は、酸化膜と非常に良好に結合することから、このセラミックボンド２０がこの強固な酸化膜と結合する面からはがれるように剥離してしまうことが抑制され、Ｂｅタイル１０とＣｕ合金基盤３０との接合は非常に強固なものとなる。
【００６１】
以上で説明した本発明の実施例４に係る核融合装置の第１壁４０１によれば、Ｃｕ合金基盤３０の表面をコーティングし、強固な酸化膜４６１としてのクロム酸化膜を生成するコーティング材としてのＣｒメッキ４６０と、このクロム酸化膜を介してＢｅタイル１０とＣｕ合金基盤３０を接合するセラミックボンド２０とを備える。
【００６２】
したがって、強固な酸化膜４６１としてのクロム酸化膜を生成するＣｒメッキ４６０によりＣｕ合金基盤３０の接合面をコーティングし、無機材料であるセラミックボンド２０により接合面にこの酸化膜４６１としてのクロム酸化膜を有するＣｕ合金基盤３０とＢｅタイル１０とが接合され、このセラミックボンド２０がこの酸化膜４６１としてのクロム酸化膜と非常に良好に結合するため、セラミックボンド２０が酸化膜４６１としてのクロム酸化膜と結合している面ではがれるように剥離してしまうことが抑制され、また、このセラミックボンド２０がプラズマから発生する中性子の衝突によっても変化を起こすことがないことから、Ｃｕ合金基盤３０とＢｅタイル１０との接合強度を向上することができる。さらに、セラミックボンド２０を用いて接合することから、焼成温度を低く済ませることができるため、比較的低温の大気中で施工することができるので、第１壁４０１の施工性を向上させることができる。また、比較的低温の大気中で施工可能で、大型な設備も必要ないことから、現場での製作にも適し、Ｂｅタイル１０の一部に損傷があった場合でも、第１壁の全体（あるいはモジュール単位）を交換する必要がなく、この損傷がある部分だけを容易に補修することができるので、イニシャルコスト、ランニングコスト共に削減することができる。
【実施例５】
【００６３】
図４は、本発明の実施例５に係る核融合装置の第１壁の製造方法を示す模式図である。実施例５に係る核融合装置の第１壁の製造方法は、実施例４に係る核融合装置の第１壁４０１の製造方法である。実施例４と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、共通する構成については同一の符号を付す。
【００６４】
本実施例の核融合装置の第１壁４０１の製造方法は、まず、Ｃｕ合金基盤３０の接合面に、クロムを載置し加熱して溶融させ、Ｃｒメッキ４６０を施す。Ｃｒメッキ４６０は、常温で冷却され硬化してＣｕ合金基盤３０の接合面と結合する。Ｃｒメッキ４６０によりＣｕ合金基盤３０の表面をコーティングした後、Ｃｒメッキ４６０の表面を熱処理し、この表面に酸化膜４６１としてのクロム酸化膜を生成する。次に、セラミックボンド２０をＣｒメッキ４６０の熱処理した表面に塗布し、Ｂｅタイル１０をセラミックボンド２０が塗布されている面に固定し、およそ１００℃程度の焼成温度で２時間ほど焼成して、Ｃｕ合金基盤３０とＢｅタイル１０とを接合して、第１壁４０１を製作する。
【００６５】
以上で説明した本発明の実施例５に係る核融合装置の第１壁４０１の製造方法によれば、強固な酸化膜４６１としてのクロム酸化膜を生成するＣｒメッキ４６０によりＣｕ合金基盤３０の接合面をコーティングし、無機材料であるセラミックボンド２０により接合面にこの酸化膜４６１としてのクロム酸化膜を有するＣｕ合金基盤３０とＢｅタイル１０とが接合され、このセラミックボンド２０がこの酸化膜４６１としてのクロム酸化膜と非常に良好に結合するため、セラミックボンド２０が酸化膜４６１としてのクロム酸化膜と結合している面ではがれるように剥離してしまうことが抑制され、また、このセラミックボンド２０がプラズマから発生する中性子の衝突によっても変化を起こすことがないことから、Ｃｕ合金基盤３０とＢｅタイル１０との接合強度を向上することができる。さらに、セラミックボンド２０を用いて接合することから、焼成温度を低く済ませることができるため、比較的低温の大気中で施工することができるので、第１壁４０１の施工性を向上させることができる。また、比較的低温の大気中で施工可能で、大型な設備も必要ないことから、現場での製作にも適し、Ｂｅタイル１０の一部に損傷があった場合でも、第１壁の全体（あるいはモジュール単位）を交換する必要がなく、この損傷がある部分だけを容易に補修することができるので、イニシャルコスト、ランニングコスト共に削減することができる。
【実施例６】
【００６６】
図５は、本発明の実施例６に係る核融合装置の第１壁の模式的な断面図である。実施例６に係る核融合装置の第１壁６０１は、実施例１に係る核融合装置の第１壁１０１と略同様の構成であるが、表面材がタングステンタイルであり、このタングステンタイルの接合面も酸化膜を生成するコーティング材でコーティングする点、セラミック系接合材が異なる種類のセラミック系接合材を積層させたものである点で実施例１に係る核融合装置の第１壁１０１とは異なる。その他、実施例１と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、共通する構成については同一の符号を付す。
【００６７】
本実施例の第１壁６０１は、表面材としてＢｅタイル１０に代えてタングステンタイル６７０（以下「Ｗタイル６７０」と略記する。）を用いる。タングステンは、融点が非常に高く（融点が３３００℃以上）、高い耐熱特性と熱伝導性（熱伝導率が１７８Ｗ／（ｍ・℃）程度）を持つ金属であり、４．５×１０-6／℃程度の線膨張率を有する。また、タングステンは、機械的強度が高く、高温における蒸気圧が小さく、ガス放出が極めて少ない金属である。
【００６８】
本実施例では、Ｗタイル６７０が上述したＢｅタイル１０と異なり、表面に安定した酸化膜を生成しにくいので、このＷタイル６７０の接合面も、強固な酸化膜６６１としてのクロム酸化膜を生成するＣｒメッキ６６０によりコーティングする。Ｃｒメッキ６６０によりＷタイル６７０の表面をコーティングした後、Ｃｒメッキ６６０の表面を熱処理し、この表面に酸化膜６６１としてのクロム酸化膜を生成する。
【００６９】
さらに、本実施例の第１壁６０１は、強固な酸化膜６５１としてのＡｌろう６５０の表面に塗布されるセラミック系接合材としての第１のセラミックボンド６８０と、Ｃｒメッキ６６０の表面に塗布されるセラミック系接合材としての第２のセラミックボンド６９０とを備える。Ｗタイル６７０とＣｕ合金基盤３０とは、この積層される第１のセラミックボンド６８０及び第２のセラミックボンド６９０によって接合される。
【００７０】
ここで、第１のセラミックボンド６８０は、実施例１で上述したように、Ｃｕ合金基盤３０と線膨張率が近い材料としてマグネシア系セラミックボンドを用いる。一方、第２のセラミックボンド６９０は、Ｗタイル６７０と線膨張率が近い材料として、高純度のアルミナを骨材とするアルミナ系セラミックボンドを用いる。つまり、第１のセラミックボンド６８０と第２のセラミックボンド６９０とは異なる種類、異なる線膨張率のセラミックボンドを用いる。セラミック系接合材として種類の異なる第１のセラミックボンド６８０と第２のセラミックボンド６９０とを積層させて用いることで、Ｃｕ合金基盤３０とＷタイル６７０の線膨張率が大きく異なることに起因して発生する熱応力に対して、この積層された部分が緩衝材として作用する。
【００７１】
以上で説明した本発明の実施例６に係る核融合装置の第１壁６０１によれば、表面材は、Ｗタイル６７０により構成され、さらに、Ｗタイル６７０の接合面をコーティングし、酸化膜６６１としてのクロム酸化膜を生成するＣｒメッキ６６０を備える。したがって、タングステンは融点が非常に高く、高い耐熱特性と熱伝導性を持つ金属であり、高温における蒸気圧が小さく、ガス放出が極めて少ない金属であるので、プラズマの高熱負荷に耐え、不純物がプラズマに混入することを抑制することができる。さらに、第２のセラミックボンド６９０が酸化膜６６１としてのクロム酸化膜と非常に良好に結合するため、この第２のセラミックボンド６９０がこの強固な酸化膜６６１としてのクロム酸化膜と結合している面ではがれるように剥離してしまうことが抑制されるので、Ｗタイル６７０とＣｕ合金基盤３０との接合強度をさらに向上することができる。
【００７２】
また、以上で説明した本発明の実施例６に係る核融合装置の第１壁６０１によれば、Ｃｕ合金基盤３０の表面に塗布される第１のセラミックボンド６８０と、Ｃｒメッキ６６０の表面に塗布され、第１のセラミックボンド６８０と種類、線膨張率が異なる第２のセラミックボンド６９０とを備える。
【００７３】
したがって、Ｗタイル６７０とＣｕ合金基盤３０との間に異なる種類の第１のセラミックボンド６８０、第２のセラミックボンド６９０を積層させることで、本実施例のように、Ｗタイル６７０とＣｕ合金基盤３０との線膨張率が大きく異なり、この線膨張率の違いにより熱応力が発生するような場合でも、この積層された部分が熱応力に対する緩衝材として作用するので、Ｗタイル６７０とＣｕ合金基盤３０との良好な接合強度を保つことができる。また、表面材と基盤とを接合するセラミック系接合材に傾斜機能（性質が材料のなかで連続的又は段階的に変化する機能）が付加されることで、適用範囲を拡大することができる。
【実施例７】
【００７４】
次に、本発明の実施例７に係る核融合装置の第１壁を説明する。実施例７に係る核融合装置の第１壁は、実施例１、３、４、６に係る核融合装置の第１壁と略同様の構成であるが、セラミック系接合材に電気伝導材を添加する点で実施例１、３、４、６に係る核融合装置の第１壁とは異なる。その他、実施例１、３、４、６と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略する。
【００７５】
本実施例に係る核融合装置の第１壁では、セラミックボンドに電気伝導材を添加する。電気伝導材は、金属粉、ファイバ、線材など電気を伝導する材料であればなんでもよく、セラミックボンドを表面材や基盤に塗布する前に添加しておけばよい。電気伝導材をセラミックボンドに添加すると、絶縁性を有するセラミック系接合材に電気伝導性を持たせることとなる。したがって、セラミック系接合材に適切に電気を伝導することで電子やイオンによるチャージアップ（帯電）や放電を抑制することができ、表面材と基盤との接合強度が落ちることを防止することができる。また、表面材から基盤への熱伝導の効率も向上させることができる。
【００７６】
なお、上述した本発明の実施例に係る核融合装置の第１壁及び核融合装置の第１壁の製造方法は、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、表面材は、Ｂｅタイル１０あるいはＷタイル６７０を用いるものとして説明したが、例えば、高い耐熱性を有し低い原子番号としてのケイ素（Ｓi）、アルミニウム（Ａｌ）あるいはこれらいずれかの化合物などを用いてもよい。また、基盤は、Ｃｕ合金基盤３０を用いることとしたが、例えば、ステンレスを用いて構成してもよい。基盤にステンレスを用いる場合、このステンレス基盤の接合面に酸化膜を生成する材料によるコーティングとしてクロムメッキを施してもよい。また、セラミック系接合材は、マグネシア系セラミックボンドを用いるものとして説明したが、アルミナ系セラミックボンド、ジルコニア系セラミックボンド、シリカ系セラミックボンドなどを用いてもよい。また、セラミック系接合材の焼成温度はおよそ１００℃程度としたが、３００℃から４００℃程度にしてもよく、この場合、表面材と基盤との接合強度が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明に係る核融合装置の第１壁、及び、核融合装置の第１壁の製造方法は、表面材と基盤をセラミック系接合材により接合することで、接合強度を向上しながら施工性の向上を図ったものであり、核融合装置のプラズマを取り囲むブランケットの表面に適用して有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施例１に係る核融合装置の第１壁の模式的な断面図である。
【図２】本発明の実施例２に係る核融合装置の第１壁の製造方法を示す模式図である。
【図３】本発明の実施例４に係る核融合装置の第１壁の模式的な断面図である。
【図４】本発明の実施例５に係る核融合装置の第１壁の製造方法を示す模式図である。
【図５】本発明の実施例６に係る核融合装置の第１壁の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１０    Ｂｅタイル（表面材）
１１、５１、４６１、６５１、６６１    酸化膜
２０    セラミックボンド（セラミック系接合材）
３０    Ｃｕ合金基盤（基盤）
４０    冷却チャンネル（冷却手段）
１０１、４０１、６０１    第１壁
５０    Ａｌろう（コーティング材）
４６０    Ｃｒメッキ（コーティング材）
６７０    Ｗタイル（表面材）
６８０    第１のセラミックボンド（セラミック系接合材）
６９０    第２のセラミックボンド（セラミック系接合材）
【図１】
2007263749.tif 000003
【図２】
2007263749.tif 000004
【図３】
2007263749.tif 000005
【図４】
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【図５】
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