JPH0233111B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕 本発明は新規な核融合装置に係り、特にその真
空容器の炉壁構造に関する。 〔従来技術〕 核融合装置として、例えばトーラス型核融合装
置は、内部にプラズマを閉じ込めるほぼ円環状の
真空容器が設けられる。真空容器には、プラズマ
を所定の空間に保持するための磁場を発生させる
トロイダル磁場コイルが真空容器を取り囲み、円
環体の長さ方向に所定間隔で複数個配置されてい
る。更に、プラズマのジユール加熱を行うととも
に、プラズマの位置制御をするための磁場を発生
させるポロイダル磁場コイルが真空容器に沿つて
複数個配置されている。 この真空容器材としては、非磁性のニツケル基
合金鋼等が検討されている。しかし、核融合装置
における真空容器は核融合反応によつて生じる放
射線、例えば14MeVの高速中性子による照射を
受けるので、特開昭55−94181に記載されている
ように、融点の高いMo又はＷ等が冷却構造を有
する金属体にボルトによつて固定されている。 〔従来技術の問題点〕 Mo又はＷ等は比較的原子番号が大きいためプ
ラズマ粒子によつてスパツタリングされた原子が
プラズマ粒子の中に入つてプラズマの温度を低下
させるといういわゆる不純物特性が悪い欠点があ
る。 また、上述のようにボルトで固定されているの
で、冷却能力が小さく高熱にさらされる核融合装
置では前述の不純物特性が更に低下する。 〔発明の概要〕 （発明の目的） 本発明の目的は、冷却特性が優れ、熱応力が小
さく、セラミツクの特性を活かした複合体からな
る強度部材を炉壁に使用した核融合装置を提供す
るにある。 （発明の要点） 本発明は、プラズマ粒子封入真空容器、真空容
器の外周に配置された磁場発生用コイル及び真空
容器のプラズマ粒子にさらされる側を構成する炉
壁を備えたものにおいて、炉壁は分割された多数
の耐熱性セラミツクタイルが前記炉壁のほぼ全面
に強制的に冷却される金属基体にろう材によつて
接合された積層構造を有し、前記セラミツクタイ
ルは室温の熱伝導率が0.05cal／cm・sec・℃以上
である炭化珪素を主成分とする焼結体からなり、
かつ前記セラミツクタイルと前記金属基体とは炭
素繊維を有する金属からなる中間体を介してろう
付されており、該中間体は接合面に平行な方向で
の室温の熱膨脹係数が前記金属基体の室温の熱膨
脹係数と前記セラミツクタイルの室温の熱膨脹係
数との間にあり、かつ前記中間体の室温における
弾性係数が５〜13×10³Kg/mm²であることを特徴と
する核融合装置にある。 (1) セラミツクタイル セラミツクタイルは、プラズマ粒子の照射に
対して耐スパツタリング性に優れていなければ
ならない。そのため耐熱性で、更に原子番号が
14以下の元素の化合物からなるセラミツク材が
よい。 セラミツクタイルは、室温の熱伝導率が
0.05cal／cm・sec・℃以上の炭化珪素を主成分
とする焼結体からなり、特に室温の電気抵抗率
が10^-3Ω・cm以上であることが好ましい。高い
熱伝導率を有するものを使用すると冷却効果が
大で、スパツタリングされにくい。従つて、よ
り好ましくは0.4cal／cm・sec・℃以上であり、
プラズマ粒子によるスパツタリングに対してセ
ラミツクタイルの温度を十分に低く保つことが
できる。炉壁には強力な磁場が作用するので、
導電性の高い材料ではうず電流による磁場の強
力な力を受けるので、室温で10^-3Ω・cm以上の
電気抵抗率を有する材料が好ましい。特に、電
気抵抗率が10⁸Ω・cm以上の電気絶縁材で構成
するのが好ましい。 特に、前述のセラミツクタイル材として、ベ
リリウム及びベリリウム化合物の１種以上をベ
リリウム量で0.1〜５重量％含み、80重量％以
上が炭化珪素からなる焼結体は、室温で
0.2cal／cm・sec・℃以上の高熱伝導率及び室
温で10⁸Ωcm以上の電気抵抗率を有し好ましい
材料である。更に、酸化ベリリウムを少量例え
ば0.05〜10重量％を炭化けい素の結晶粒界に含
み、実質的に炭化珪素とからなる焼結体は室温
で0.4cal／cm・sec・℃以上の熱伝導率及び室
温で10⁸Ω・cm以上の電気抵抗率を有するので、
特に冷却構造との関係において好ましいもので
ある。 セラミツクタイルは、分割されたセラミツク
ス体を冷却構造を有する金属体に接合層によつ
て接合面の全面を接合する。このセグメントは
できるだけ大きい方が製造手数を少なくできる
のでよい。しかし、大き過ぎると接合後の熱応
力が大きくなり、割れ易くなるので、最大でも
10cm角及び20mmの厚さが好ましい。特に厚さ
は、５〜10mmが好ましい。セラミツクタイル
は、無加圧焼結、加圧焼結、又は他の方法のい
ずれによつて製造してもよい。 セラミツクタイルは、金属基体及びろう材が
プラズマ粒子による照射を直接受けないよう
に、プラズマからの投影面からみて端部が重な
るように配置するか、埋込むようにするのが好
ましい。重ね合せて配置するには、セラミツク
ス体の端部を厚さ方向に段違いに構成するか、
傾斜させるか等の手段がある。又は、セラミツ
クタイルをその端部で重ね合せなくても、セラ
ミツクタイルを所定の間隙を設けて配列させ、
前述のように金属体の溝部にセラミツクス体の
棒を挿入させるのもよい。 (2) 冷却構造を有する金属基体 金属基体の材料は、使用温度で非磁性でなけ
ればならない。金属体として、オーステナイト
鋼、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム
合金、チタン、チタン合金及びニツケル基合金
などが使用可能である。冷却構造は部分的にシ
ーム溶接された重ね合せ構造体の非溶接部を高
圧空気によつて型に入れて膨らませることによ
つて冷媒を流す空間を作るコルゲート構造のも
のが使用可能である。部分的な接合にはその他
拡散接合、圧接、ろう付等によても可能であ
る。 金属基体には溝が形成される。溝としては、
前述のように高圧空気で空間を作るコルゲート
構造における凹んだ部分を利用できる。金属板
を切削して所望の溝を形成することもできる。
溝は、セラミツクタイルの接合において熱応力
を軽減できる。また溝の幅はセラミツクタイル
をろうによつて接合する際に隣接するセラミツ
クタイル間で余分なろう材がはみ出してセラミ
ツクス体同志が繋がらない程度に広がつていれ
ばよい。余分なろう材は溝部に流れ落ち、互い
のセラミツクタイル間の間隙に存在しないの
で、接合後の互いのセラミツクタイルを拘束す
ることがない。従つて、接合後の金属基体の冷
却による熱応力を小さくすることができる。溝
の幅は１mm以上が好ましい。しかしその幅はセ
ラミツクタイルの接合強度が十分に得られる程
度に止めるのがよい。溝は、１つの金属基体表
面に同じ方向に複数本設けるか、縦及び横方向
に複数本設けることができる。製造面では前者
が有利であり応力緩和の点からは後者が好まし
い。 金属基体は、複数個のセラミツクタイルを接
合できるものとし、それ自体も分割されたもの
が好ましい。分割された金属基体はセラミツク
タイルを接合後に他の構造体に機械的に接合す
るか、又は溶接によつて互いに接合して核融合
装置の炉壁として所定の形状に組立てられる。
組立てに際して冷媒の流通に余分な抵抗が生じ
ないように充分な寸法精度で製作し、それらを
慎重に位置合せして組立てる必要がある。更
に、金属体の各ブロツクの組立てに際しても金
属体が直接プラズマ粒子にさらされないように
前述のように表面がセラミツクタイルで被われ
るようにする。 (3) セラミツクタイルの接合 セラミツクタイルは、金属基体に冶金的に接
合される。冶金的な接合とは、ろう付、拡散接
合、アノーデツクボンデング等による原子的な
接合を意味し、機械的な接合を意味しない。各
セラミツクタイルは互いに間隙を設けることに
より、加熱を受けたときに熱応力の発生が小さ
いこと、及び接合後の金属基体の収縮による接
合層の熱応力を緩和し、もつてセラミツクタイ
ルの接合による割れ、剥離を防止するととも
に、強固な接合が得られる点にある。間隙がな
いと接合後の金属体の収縮による高い残留応
力、或いは割れ及び剥離を防止することができ
ない。 間隙の大きさは使用中の膨脹及び収縮量を考
慮して定められる。接合層としてろう付による
場合、それに用いるろう材は金属基体の融点よ
り低いものでなければならない。金属基体とし
てステンレス鋼及びニツケル基合金を使用する
場合はマンガンを含有する銅合金ろう材、銀ろ
う材が好ましく、約900℃付近でろう付できる
ので、接合時の間隙はこの温度からの冷却に伴
う金属基体の収縮量からセラミツクスの収縮量
を差引いた量と同じ長さの間隙使用中における
間隙とを加えた量とすればよい。前述の銅合金
ろう材として、マンガン25〜55重量％を含有す
る銅合金が好ましい。この合金の融点は870℃
〜1000℃であり、比較的低い温度で接合でき
る。特に、35〜45重量％のマンガンを含む銅合
金が好ましい。このろう材は炭化物の接合に好
ましい。更に、炭化物として炭化珪素を主成分
とする焼結体のうち、前述のベリリウム及びベ
リリウム化合物の１種以上を0.1〜５重量％含
み、80重量％以上の炭化珪素を有する室温で電
気絶縁性を有するものの接合に有効であり、特
にニツケル基合金への接合に好ましい。 高温のろう材として、JIS規格の銀ろうが使
用可能である。 金属基体としてアルミニウム又はアルミニウ
ム合金を用いる場合には、ろう材は８〜15重量
％珪素を有するアルミニウム合金ろうが好まし
い。このろう合金は550〜620℃付近の温度でろ
う付されるので、接合時における各セラミツク
タイル間の間隙はそのろう付温度に合せて調節
される。このろう材は前述と同様に炭化珪素を
主成分とする焼結体をアルミニウム又はアルミ
ニウム合金に接合するのに有効である。 金属基体へのセラミツクタイルの接合は、１
つの金属体の全面にろう材を介在させてセラミ
ツクス体を載置させ、加熱することによつてそ
の自重でも接合できるが、１〜20Kg/cm²の加圧
下で加熱することが好ましい。加熱雰囲気は大
気中でもできるが、非酸化性雰囲気中が好まし
い。 接着層の厚さは10〜100μmが好ましい。 (4) 中間体 セラミツクタイルは、金属基体の室温の熱膨
脹係数より小さく、セラミツクタイルの熱膨脹
係数より大きいそれを有する金属部材からなる
中間体を介して金属基体に接合される。具体的
には、炭素繊維を埋込んだ金属からなり、接合
面に平行な方向での室温の熱膨脹係数が前記金
属基体の室温の熱膨脹係数と前記セラミツクタ
イルの室温の熱膨脹係数との間にあり、かつ前
記中間体の室温における弾性係数が５〜13×
10³Kg/mm²であることが必要である。特に、炭素
繊維を埋め込んだ銅複合材が好ましい。 銅−炭素繊維複合材は、銅被覆された炭素繊
維を複数本束ね、これを二次元に織り、高温で
焼成することによつて二次元的に等方向な熱膨
脹率を示すようにするのが好ましい。このもの
は、銅の熱伝導率を損わずに、室温で５〜
10^-6／℃の熱膨脹係数及び室温で0.3〜1.0cal／
cm・sec・℃の熱伝導率を得ることができる。
炭素繊維は30〜60体積％含むことが好ましい。
銅基地には炭化物を形成する元素が５重量％以
下含むものが好ましい。 この銅−炭素繊維複合材を中間体とするもの
は、金属体に前述の炭化珪素を主成分とする焼
結体を接合するのに有効である。この中間体は
室温で５〜13×10³Kg/mm²の弾性係数及び室温で
３〜12×10^-6／℃の熱膨脹係数を有し、特に、
室温の熱膨脹係数が10×10^-6／℃以上を有する
金属体へのセラミツクス体の接合に有効であ
る。 また、前述の弾性係数と熱膨脹係数を有する
ものであれば、銅−炭素繊維複合体以外でも炭
化珪素焼結体を金属体に割れを生ぜずに容易に
接合することができる。 中間体は、セラミツクタイルと同様に金属基
体に形成された溝の対応部分に互いに間隙を設
けて接合するのが好ましい。そして、その上に
互いに間隙を設けてセラミツクタイルを接合す
るのが好ましい。しかし、中間体は金属によつ
て構成されるので、冷却構造を有する金属体は
溝を有する必要がなく、金属体の全面に中間体
を設け、その上に間隙を形成させてセラミツク
タイルを接合させることができる。 セラミツクタイルとして炭化珪素を主成分と
する焼結体を使用し、この表面に前述の銅−炭
素繊維複合体を接合するには、前述の銅−マン
ガン合金ろうを使用するのが好ましい。更にこ
の銅−炭素繊維複合体を、アルミニウムからな
る金属基体に接合するには予め前記セラミツク
タイルと前記複合体とを前述の銅−マンガン合
金ろう材によつて接合後、前記複合体にアルミ
ニウムを重ね約548℃まで加熱し、所定の圧力
を加えて接合できる。この場合は前記複合体は
銅が主成分であるため、アルミニウムとの間で
共晶反応が発生するので、ろう材を使用しなく
ても接合できる。 中間体の厚さは、0.5〜２mmが好ましい。セ
ラミツクス体の接合に対して熱膨脹率の差を十
分に緩和するクツシヨンの役目をするためには
0.5mm以上が好ましく、このクツシヨンの十分
な役目を得る厚さとして２mm以下が好ましい。
中間体はそれを設けない場合に比較して接合部
の熱応力を小さくできるので、より大きなセラ
ミツクス体を割れを発生させずに接合できる。 〔発明の実施例〕 実施例 １ 第１図は本発明の炉壁構造を適用した一例を示
すトーラス型核融合装置の概略を示す断面図であ
る。真空容器１は図示していないが中心線１０を
基準にして円環状（トーラス）になつており、そ
の周囲にプラズマ２を真空容器１の空間に閉じ込
め、ドーナツ状の磁場を作るためのトロイダル磁
場コイル８が真空容器１に添つて所定間隙で配置
されている。この磁場コイル８は液体Heによつ
て冷却される超電導コイルによつて構成される。
更にトロイダル磁場コイル８の周囲にはプラズマ
２の位置制御を行うためのポロイダルコイル９が
複数個配置される。 真空容器１内は真空排気するために図示してい
ないが、排気装置が接続される。更に真空容器１
内にはプラズマ２側に本発明の炉壁３が設けら
れ、炉壁３の外側に増殖ブラケツト６及び遮へい
体７が設けられている。炉壁３は増殖ブラケツト
６に沿つて設けられている。炉壁３は冷媒によつ
て強制的に冷却する構造の金属基体５にタイル状
のセラミツクス体４が接合されている。 第２図は、中間体１６を介在させてタイル状の
セラミツクス体４と冷却構造を有する金属基体５
とを接合した１つのブロツクを示す斜視図であ
る。第３図は、第２図のＣ−C′切断の断面図であ
る。この例では、セラミツクタイル４は間隙１４
を設けられ、更に金属基体５がプラズマ粒子２に
よる照射を受けないようにセラミツクタイル４の
端部は階段状に形成され、互いに重り合つて接合
されている。 金属基体５には間隙１４に対向して溝１３が設
けられる。間隙１４は使用中の熱膨脹による熱応
力の発生を極力押えることのできるものであれば
よいので、溝１３よりその間隔が小さくて済む。 中間体１６は金属基体５とセラミツクタイル４
の両者の中間の熱膨脹係数を有するものである。
中間体１６は、ステンレス鋼、アルミニウムのよ
うに熱膨脹係数の比較的大きい金属基体５とそれ
より室温の熱膨脹係数が小さいセラミツクタイル
４との接合後の熱応力を小さくできる。特に、中
間体１６の室温の熱膨脹係数とその弾性係数とを
適切に選定したものを用いることにより、より熱
応力が小さく、大きなセラミツクタイル４が接合
できる。 以下、具体的な接合の例を示す。 セラミツクタイルとして、実施例１と同様に製
造した厚さ10mm、40mm角の２重量％のBeO入り
SiC焼結体を用い、更に中間体として銅−炭素繊
維複合体を用いた。先ず、セラミツクタイルと銅
−炭素繊維複合体とを接合し、次いで板厚２mmの
JIS規格SUS304ステンレス鋼と銅−炭素繊維複
合体とをろう付した。 SiC焼結体は、各粉末の混合物を1000Kg/cm²で
加圧成形した後、10^-5〜10^-3トルで300Kg/cm²で加
圧しながら2000℃で１時間加熱保持し、焼結した
ものである。 銅−炭素繊維複合体は次の方法により製造し
た。各炭素繊維に所定の厚さに無電解銅めつきを
行い、この銅めつき炭素繊維を複数本束ね、これ
を隣接する部分が互いに交叉するように所定の大
きさに織つた。この織物を加圧しながら窒素雰囲
気中、800℃で加圧加熱し、厚さ１mmのシート状
の複合体を製造した。所定の厚さにするには、銅
めつき炭素繊維束の太さを大きくすれば１枚の織
物で所望の厚さの複合体を形成できる。更に１枚
の織物を薄くし、多層にして所望の厚さとするこ
とができ、後者の複合体の方が特性の点及び平滑
なものができる点で有利である。また、織物に限
らず、繊維をうず巻状にする方法、繊維同志が互
いに重り合つて配列する程度の長さを有する短繊
維を分散させる方法等いずれの方法でも実施でき
る。 以上のようにして製造したCu−Ｃ繊維複合体
とSiC焼結体とを、40重量％マンガン及び残部銅
からなる厚さ50μmのろう材を介在させ、860℃、
５〜10Kg/cm²で加圧加熱し、接合した。Cu−Ｃ繊
維複合として体積で、35％、45％及び54％を含む
ものを３種製造（後述する第４図において各々３
５Ｃ，４５Ｃ及び５４Ｃと表示する）し、更に、
中間体として、熱膨脹係数及び弾性係数の異なる
各種金属及び合金を用いた。これらの中間体は35
％Ni及び42％Niを含むアンバー合金、コバール、
SUS430、ハステロイＢ、純Ni、Mo、Ｗである。 以上の各種中間体を用い、SiC焼結体とこれら
の中間体との間に40重量％Mn及び残部Cuからな
る厚さ50μmのろう材を介在させ、更に中間体と
SUS304ステンレス鋼との間に30重量％Cu及び70
重量％Agからなる厚さ100μmの銀ろうの箔を介
在させて、860℃、５〜10Kg/cm²の加圧下、Ar雰
囲気中で加熱し、それぞれ接合した。 第４図は、前述の種々の中間体を使用した場合
の中間材の室温の熱膨脹係数と弾性係数との関係
についての接合の良否を示す図である。図に示す
如く、タイル状のSiC焼結体の大きさが大きくな
ると中間体の熱膨脹係数だけでなく弾性係数によ
つてSiC焼結体に割れが発生したり剥離が生じる
ことが判明した。Cu−Ｃ繊維複合体は弾性係数
がマトリツクスの金属によて選択できるので、割
れ及び剥離の生じない接合ができる。図中、×印
はSiC焼結体に割れが生じたもの、〇印は接合強
度が30Kg/mm²以上のものを示す。その結果、中間
材として、室温の熱膨脹係数が３〜12×10^-6／℃
及び弾性係数が５〜13×10¹³Kg/mm²である銅−炭
素繊維複合材のものが、高強度の接合が得られる
ことが判明した。 実施例 ２ 次に、金属基体として、板厚５mmのアルミニウ
ムを用いた例を示す。前述の織物からなる厚さ１
mmの35体積％の炭素繊維−銅複合体を中間材とし
て用い、これを前述と同様に40重量％Mn及び残
部Cuからなるろう材によつて予め前述のSiC焼結
体に接合した。その後、銅−炭素繊維複合体を接
合面として100μmの銅箔を介在させてアルミニウ
ムからなる金属体上に載置し、Ar雰囲気中、580
℃で５〜10Kg/cm²の圧力を加え、銅とアルミニウ
ムとの共晶反応を利用してこれらを接合した。 第１表は前述の方法で得られたセラミツクタイ
ルの表面にレーザビームを照射して熱負荷試験を
行つた結果を示す。熱負荷試験方法はセラミツク
タイルの表面に300W/cm²のレーザビームを100秒
の周期で照射した。尚この場合、金属基体側の冷
媒として８／分の水を流した。 表に示すように、1000回の熱負荷試験を行つた
場合でも、セラミツクタイルの破壊又は接合部か
らのはく離は全く認められなかつた。また、セラ
ミツクタイル側の表面温度及びセラミツクタイル
と金属基体との接合部の温度は極めて低く、冷却
特性が極めて良いことが立証された。

〔発明の効果〕

本発明によれば、冷却特性が優れ、熱応力が小
さく、セラミツクスの特性を活かした複合体から
なる強度部材を炉壁に使用した核融合装置が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の炉壁を適用した一例を示すト
ロイダル型核融合装置の真空容器とその周辺の断
面構成図、第２図は本発明の炉壁構造を示す斜視
図、第３図は第２図のＣ−C′切断部の断面図及び
第４図は中間体の弾性係数と熱膨脹係数との関係
を示す線図である。 １……真空容器、２……プラズマ粒子、３……
炉壁、４……セラミツクタイル、５……金属基
体、８……コイル、１１……接合層、１２……冷
媒の通路、１３……溝、１４……間隙。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 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
   容器の前記プラズマ粒子にさらされる炉壁を備え
   たものにおいて、前記炉壁は分割された多数の耐
   熱性セラミツクタイルが前記炉壁のほぼ全面に強
   制的に冷却される金属基体にろう材によつて接合
   された積層構造を有し、前記セラミツクタイルは
   室温の熱伝導率が0.05cal／cm・sec・℃以上であ
   る炭化珪素を主成分とする焼結体からなり、かつ
   前記セラミツクタイルと前記金属基体とは炭素繊
   維を有する金属からなる中間体を介してろう付さ
   れており、該中間体は接合面に平行な方向での室
   温の熱膨脹係数が前記金属基体の室温の熱膨脹係
   数と前記セラミツクタイルの室温の熱膨脹係数と
   の間にあり、かつ前記中間体の室温における弾性
   係数が５〜13×10³Kg/mm²であることを特徴とする
   核融合装置。 ２ 前記隣接するセラミツクタイルの端部は、前
   記プラズマ粒子の照射からの投影面で重なり合つ
   ている特許請求の範囲第１項に記載の核融合装
   置。 ３ 前記隣接する前記セラミツクタイル間には所
   定の間隙が形成され、該間隙に対応する位置の前
   記金属基体の接合面に溝が形成されている特許請
   求の範囲第１項又は第２項に記載の核融合装置。