(57)【要約】【課題】第一壁構成要素としての必要機能を備え、かつ亀裂や分離等の発生が抑制された単一ブロック設計の第一壁構成要素を提供する。【解決手段】本発明は、黒鉛材料でできている少なくとも１つの熱シールドと、銅または銅合金でできている冷却管とを含む核融合炉の第一壁構成要素に関する。この熱シールドと、この冷却管との間には管セグメントが設けられており、この管セグメントは、少なくとも一部の領域内で、上記熱シールドに接続され、また銅を含有する層を介して上記冷却管にも接続される。【選択図】図２
2007155737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉鎖通路または開放通路（４）を持ち、かつ黒鉛材料でできている少なくとも１つの熱シールド（２）と、銅または銅合金でできている冷却管（３）とを含む核融合炉の第一壁構成要素（１）であって、前記熱シールド（２）と前記冷却管（３）との間に管セグメント（５）が設けられ、さらに、前記管セグメント（５）が、少なくとも一部の領域内で、前記熱シールド（２）に接続され、また銅を含有する層（６、７）を介して前記冷却管（３）にも接続されることを特徴とする第一壁構成要素（１）。
【請求項２】
前記管セグメント（５）が、２０°〜１８０°の開口角αを有することを特徴とする請求項１に記載の第一壁構成要素（１）。
【請求項３】
前記管セグメント（５）の開口角αが、５０°〜１３０°であることを特徴とする請求項２に記載の第一壁構成要素（１）。
【請求項４】
前記開口角αの角度二等分線が、プラズマにさらされる前記熱シールド（２）の表面（９）に垂直であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の第一壁構成要素（１）。
【請求項５】
前記管セグメント（５）が、０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの壁の厚さを持つことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の第一壁構成要素（１）。
【請求項６】
前記熱シールド（２）が、前記管セグメント（５）の前記開口（８）の領域内で、銅を含有する領域を介して、前記冷却管（３）に接続されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の第一壁構成要素（１）。
【請求項７】
前記管セグメント（５）が、モリブデン、モリブデン合金、タングステン、タングステン合金から成るグループの内の一つの材料から成ることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の第一壁構成要素（１）。
【請求項８】
前記管セグメント（５）が、モリブデン−銅、またはタングステン−銅から成ることを特徴とする請求項７に記載の第一壁構成要素（１）。
【請求項９】
前記熱シールド（２）が、ＣＦＣから成ることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の第一壁構成要素（１）。
【請求項１０】
前記冷却管（３）が銅−クロム−ジルコニウムから成ることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の第一壁構成要素（１）。
【請求項１１】
前記通路（４）が孔であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の第一壁構成要素（１）。
【請求項１２】
前記通路（４）の表面が、レーザを用いて表面穴加工されてなることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の第一壁構成要素（１）。
【請求項１３】
前記通路（４）の壁面が、少なくとも一部の領域内で、炭化チタン層を備えることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の第一壁構成要素（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、閉鎖通路または開放通路を持ち、かつ黒鉛材料でできている少なくとも１つの熱シールドと、銅または銅合金でできている冷却管とを含む核融合炉の第一壁構成要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような第一壁構成要素を使用する代表的な例として、１０ＭＷ／ｍ2を超える極めて大きい熱負荷にさらされるダイバータとリミッタがある。第一壁構成要素は、通常、熱シールドと熱放散領域とから成っている。この熱シールドの材料は、プラズマに適合性があり、物理的および化学的なスパッタリングに対する高い耐性を持ち、高い融点／昇華点を持ち、しかも、熱衝撃にできる限り耐えなければならない。さらに、この熱シールドの材料はまた、入手し易さと、受け入れられる費用とともに、高い熱伝導率、低い中性子放射性化、および充分な強度／破壊靭性も持たなければならない。例えば、タングステンなどの耐熱金属は別として、黒鉛材料は、このような多様であって、いくらか相容れない一連の要件をもっともよく満たすものである。プラズマからのエネルギーの流れは、長時間にわたって、これらの構成要素に作用するから、このような第一壁構成要素は、一般に、能動的に冷却される。この除熱は、通常、材料接合により熱シールドに接続されているヒートシンク（例えば、銅または銅合金でできている）により促進される。
【０００３】
銅は、この除熱を確実にする働きを持っている。さらに、銅はまた、黒鉛を、純銅でできた中間層を介して強度の高い銅合金（例えば、銅−クロム−ジルコニウム）に接続するときに当てはまるように、応力減少の機能を果たすこともある。この場合、銅の層は、通常、０．５ｍｍ〜３ｍｍの厚さを持つ。
【０００４】
黒鉛と１つまたは複数の銅材料でできている領域は別として、上記の第一壁構成要素はまた、例えば、鋼またはタングステン合金ででている別の領域も持つことがある。
【０００５】
この場合、黒鉛と銅との接合領域は、上記の材料複合体の弱点を代表するものである。この接合領域内の強度が高められる冷却装置を製造する方法は、欧州特許０６６３６７０号明細書に記載されている。この場合、溶融状態にある冷却装置の金属を耐熱材料に接触させて、その接触作業の間、上記接合領域内に、この周期率表のＩＶ族および／またはＶ族のサブグループの１つまたは複数の金属の元素を与える。このようなやり方で生み出された材料複合体は、その強度がいっそう高められている。
【０００６】
第一壁構成要素は、異なる設計で作ることも可能である。本明細書では、フラットタイル設計、サドル設計、単一ブロック設計とを区別している。
【０００７】
冷却材が流れるヒートシンクに、平坦な接続エリアを持つ熱シールドを接続する場合に、これは、フラットタイル設計と呼ばれる。サドル設計の場合には、半円形凹みのある熱シールドを、管状のヒートシンクに接続する。このヒートシンクは、それぞれの場合に、熱入力側と、冷却媒体との間に熱接触を確立する働きを持っており、そこでは、上記の互いに結合された元素の異なる膨脹係数と温度勾配に起因する熱的に生じた繰返し負荷にさらされる。単一ブロック設計の場合には、第一壁構成要素は、同心の通路を持つ熱シールドを含む。この熱シールドは、この同心の通路を通じて、冷却管に接続されている。
【０００８】
これらの幾何形状条件のために、銅の中間層の塑性変形によりもたらされる応力減少は、塑性変形をもっとも大きく抑制する三軸応力状態がある単一ブロック設計の場合よりも、フラットタイル設計の場合の方が、より効率的に行われる。それゆえ、このように限られた応力減少のために、黒鉛材料中に亀裂が生じることもある。
【０００９】
第一壁構成要素は、熱に起因する機械的応力に耐えるだけでなく、付加的に発生する機械的応力にも耐えなければならない。この付加的な機械的負荷は、これらの構成要素に流れて、それらを取り巻く磁界と相互作用する電磁的に生じた電流により、もたらされることがある。これは、熱シールドが伝達しなければならない高周波加速力の発生をともなう。しかしながら、黒鉛材料は、その機械的強度が低く、かつ破壊靭性も低い。さらに、使用中に中性子による脆化が発生し、それにより、黒鉛材料の亀裂開始がさらに早まることになる。
【００１０】
黒鉛材料としては、通常、繊維補強黒鉛（ＣＦＣ）が使用される。この場合、繊維強化は、三次元で、かつ直線的に構成される。このように繊維を構成すると、空間的方向に応じて、材料に異なる特性を与える。ＣＦＣは、通常、１つの空間的方向は強度も熱伝導率も最大であるピッチ系繊維により補強される。他の２つの空間的方向は、ＰＡＮ系繊維により補強され、その中の１つの方向は、一般に、編み補強するだけのものである。それゆえ、ＣＦＣは、直線状の材料構成を持つが、一方、単一ブロック設計の場合の熱シールド／冷却管接続幾何形状は円形である。使用される材料の熱膨脹係数が異なるために、製造プロセスの間に応力が強まり、それにより、ＣＦＣ中に亀裂が生ずる可能性がある。
【００１１】
これらの幾何形状条件と、使用される材料の組合せのために、上記の亀裂は、たとえあったとしても、非常に複雑な方法でしか見つけることができない。これは、このような構成要素に対する核環境という背景の下で、関連する問題を生じさせる。なぜなら、特に、亀裂／分離が、さらに重大な事故の引き金となる可能性があると見なされ得るからでもある。
【００１２】
第一壁の構成要素の分野において、多年にわたる骨の折れる開発作業にもかかわらず、今のところ利用できるこれらの構造要素は、この一連の要請を最適に満たしていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
それゆえ、本発明の目的は、適切なやり方で、機械的および物理的な応力からもたらされる要請を満たすような単一ブロック設計の第一壁構成要素を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この目的は、請求項１の特徴により達成される。
【００１５】
この場合、第一壁構成要素は、閉鎖通路または開放通路を持ち、かつ黒鉛材料でできている少なくとも１つの熱シールドと、銅または銅合金でできている冷却管とを含み、また、この熱シールドと、この冷却管との間には管セグメントが設けられている。この管セグメントは、延性銅層を介して、熱シールドと冷却管にそれぞれ接続されている。
【００１６】
この管セグメントは、異なる膨脹係数からもたらされる熱シールド中の内部応力が減らされるという効果を有する。これを、最適なやり方で達成するためには、熱シールドの膨脹係数と管セグメントの膨脹係数が同じであり、また、管セグメントが、少なくとも０．２ｍｍという充分な厚さと、できる限り大きい熱伝導率と強度を持てば、有利である。厚さがさらに薄くなると、これらの応力の充分な減少が達成されない。約１．５ｍｍの上限は、幾何形状条件によるものである。
【００１７】
この管セグメントに対する機械的／物理的な要件は、モリブデン、モリブデン合金、タングステン、タングステン合金から成るグループの内の一つの材料によって、もっともよく満たされる。
【００１８】
特に留意すべきことは、タングステン−銅系、およびモリブデン−銅系の擬似合金である。タングステン−銅の場合には、好ましい銅含有分は、重量比で５％〜２５％であり、また、モリブデン−銅の場合には、好ましい銅含有分は、重量比で１５％〜４０％である。この管セグメントは、好ましくは２０°〜１８０°の開口角αを持ち、さらに好ましくは５０°〜１３０°の開口角αを持っている。これよりも開口角が大きくなると、これらの応力の減少は、充分ではない。これよりも開口角が小さくなると、その熱流束が妨げられる。
【００１９】
開口角αの角度二等分線が、プラズマにさらされる熱シールドの表面に垂直であれば、有利であることもわかっている。熱シールドは、銅を含有する層を介して管セグメントに接続され、さらに、この管セグメントが、同様に、銅を含有する層を介して冷却管にも接続される。これらの層は同様に、応力減少に役立つ。この管セグメントの開口領域は、同様に、銅または銅合金で満たされており、したがって、この開口領域では、このような銅を含有する領域を介して熱シールドが冷却管に接続されるようにしている。その結果、この開口領域では、熱流束が、管セグメントにより損なわれることはない。熱シールドを貫通する通路は、好ましくは閉じられていて、孔として形成され、またその孔の壁面は、レーザを用いて表面穴加工され、その場合、孔の壁面は、金属および／または炭化物に関して活性化される。
【００２０】
本発明による第一壁構成要素を製作するために、第一に、通路、好ましくは孔が、黒鉛材料、好ましくは、ＣＦＣでできたブロックに設けられる。この通路の表面は、好ましいやり方としては、レーザを用いて表面穴加工され、次に、その活性表面を溶融銅（液体銅、liquid copper）で濡らせる（なじませる）ようなやり方で、金属および／または炭化物に関して活性化する。次に、このようなやり方であらかじめ処理された通路に、上記の管セグメントを挿入する。この場合、管セグメントの好ましい厚さは、０．２ｍｍ〜約１．５ｍｍである。管セグメントと、活性通路の壁面との間の間隙は、約０．２ｍｍ〜０．８ｍｍである。この間隙に、純銅でできているスリーブを入れる。純銅でできている他のスリーブがまた、管セグメントの内径に当てて設置される。このようなやり方で生み出された構造物は、真空または不活性気体のもとに、銅の融点よりも高い温度まで加熱される。特にＣＦＣと管セグメントとの間の間隙に、また、管セグメントの開口領域に確実に銅を補充できるようにするために、関連する銅補給部を備える。
【００２１】
これは、ＣＦＣ／活性化層／銅／モリブデン−銅またはタングステン−銅／銅といった半径方向の構造（外部から内部へ）を持つ複合体を生み出す。
【００２２】
銅合金、好ましくは銅−クロム−ジルコニウムでできている冷却管は、はんだ付けまたはＨＩＰなどの通例の標準的な方法を用いて、内部銅層に実質的に接合される。
【００２３】
本発明の実施例に関し、図１〜図３に基づき、以下にさらに詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
第一壁要素（１）の製作では、寸法が４５ｍｍ×３０ｍｍ×２５ｍｍであるＣＦＣ熱シールド（２）を使用した。ＣＦＣ熱シールド（２）は、３次元繊維構造を持ち、その方向に応じて、異なる性質が得られた。最大の熱伝導率を持つ繊維は、４５ｍｍの寸法の外側に平行に延びている。平均の熱伝導率を持つ繊維束は、３０ｍｍの寸法の外側に平行に延びている。１８ｍｍの直径を持つ貫通孔（４）を、３０ｍｍ×４５ｍｍのエリアに垂直に、そのエリアの対称中心に設けた。次に、深さ２５ｍｍのこの孔の表面は、レーザを用いて穴加工が施され、表面積を倍以上の大きさに拡大した。これらの円錐形のレーザ穴は、約１０００μｍの深さを持ち、また、その表面の開き幅は約２００μｍであった。この場合、個々の穴ができる限り接近した状態にあるように、一連のレーザパルスを選択した。このようにして処理された表面は、溶融銅で濡らした炭化物接合面を、ＣＦＣ材料（２）上に作り出すように、活性化された。これは、この表面にチタンを施すことで達成された。その後で、この部分は、チタンの融点よりも高い温度まで加熱されて、毛管作用力が働いた結果として、溶融チタンがＣＦＣに貫入し、それにより、炭化チタンを形成した。炭化チタンは、一方では、非常に優れた化学結合によりＣＦＣに接着し、また他方では、熱シールド（２）を、溶融銅に対して濡らせられるようにするものである。次に、熱シールド（２）中の孔の内側に配置される円筒体を形成するように、０．４ｍｍの厚さを持つ純銅箔を、上記の活性孔（４）の中に設置した。次に、高さ２５ｍｍ、外径１７ｍｍ、壁の厚さ０．５ｍｍ、９０°の開口角αを持ち、かつ重量比１０％の銅を含むタングステンの管セグメント（５）を、上記の孔に入れた。この場合、開口角αの角度二等分線は、４５ｍｍ×２５ｍｍのエリアに垂直にした。このエリア（９）は、使用中、プラズマにさらされるものである。直径２０ｍｍのヘッド（頭部）を有する外径１５．８ｍｍの銅コアを、管セグメント（５）の内側領域内に挿入した。このヘッドは、溶融銅補給部の働きを果たした。次に、このアセンブリ（集合体）を、真空炉内に設置して、約１０分間、真空のもとに１１００°Ｃまで加熱し、その後で、冷却を開始した。
【００２５】
このようにして、熱シールド（２）を、銅層（６）を介して、管セグメント（５）に接続した。管セグメント（５）の開口領域（８）は、同様に、銅で満たされた。次に、このようにして作り出された単一ブロックを、全周に配置した。それゆえ、元の外径寸法は、それぞれの場合に１ｍｍだけ減らされ、それにより、この単一ブロックは、さらなる処理の前に、４４ｍｍ×２９ｍｍ×２４ｍｍの外側寸法となった。銅で満たされた通路（４）が、１５ｍｍの直径で貫通された。この場合、その内径部は、連続する銅層（７）となった。次に、外径１４．８ｍｍの銅−クロム−ジルコニウム製の管（３）を、通路（４）の中に挿入した。次に、冷却管（３）と単一ブロックが、ＨＩＰプロセスを用いて実質的に接合され、能動的に冷却可能な第一壁構成要素（１）が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による第一壁構成要素の斜視図。
【図２】図１に示される本発明による第一壁構成要素の立面図。
【図３】管セグメントの斜視図。
【符号の説明】
【００２７】
１  第一壁要素
２  熱シールド
３  冷却管
４  通路
５  管セグメント
６  銅層
７  連続する銅層
８  開口領域
９  表面
【図１】
2007155737.tif 000003
【図２】
2007155737.tif 000004
【図３】
2007155737.tif 000005