專利名稱:聚變反應(yīng)堆的第一壁部件的制作方法
聚變反應(yīng)堆的第一壁部件技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚變反應(yīng)堆的第一壁部件，該第一壁部件包括至 少一個熱屏蔽件，其由石墨材料構(gòu)成，并具有閉合或敞開的引入件；以及冷卻管，冷卻劑流經(jīng)該冷卻管，該冷卻管與該熱屏蔽件至少部分地材料結(jié)合，并且該冷卻管由熱導(dǎo)率大于200 W/m'K的材料構(gòu)成。
技術(shù)背景使用這種第一壁部件的典型實例是受到大于10 MW/m2的最高可 能熱負(fù)荷的分流器和限制器。第一壁部件通常由熱屏蔽件和散熱區(qū)域 構(gòu)成。熱屏蔽件的材料必須與等離子體相容，具有對于物理和化學(xué)濺 射的高耐受性，具有高的熔點/升華點，以及盡可能高的抵抗熱沖擊 性。另外，熱屏蔽件的材料還必須具有高的導(dǎo)熱性、低的中子活性和 足夠的強(qiáng)度/斷裂韌性，以及好的可獲得性和可接受的成本。除了例 如鎢等難熔金屬之外，石墨材料(例如纖維增強(qiáng)石墨)可以最好地符 合這些不同的、有時是互相矛盾的總體要求。由于來自等離子體的能 量流在很長的時間階段內(nèi)作用于這些第一壁部件上，因而這種第一壁 部件通常被主動冷卻。通過吸熱器來實現(xiàn)熱量排放，該吸熱器由例如 銅或銅合金構(gòu)成，并且通常與熱屏蔽件機(jī)械連接?？梢杂貌煌O(shè)計實現(xiàn)第一壁部件。在這方面，常規(guī)設(shè)計是通常 所說的整塊設(shè)計。在整塊設(shè)計中，第一壁部件由具有同心孔的熱屏蔽 件構(gòu)成。熱屏蔽件經(jīng)由該同心孔與冷卻管連接。第一壁部件不僅必須耐受熱引起的機(jī)械應(yīng)力，而且必須耐受另外產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。這種另外的機(jī)械載荷可以經(jīng)由電磁感應(yīng)電流而產(chǎn) 生，電磁感應(yīng)電流流入第一壁部件并與周圍的磁場相互作用。在這種 情況下，會出現(xiàn)必須由熱屏蔽件(即例如由石墨材料)傳遞的高頻加 速力。然而，石墨材料具有低的機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌性。另外，在使用
過程中，發(fā)生中子脆變，從而導(dǎo)致這些材料對于裂紋引入的敏感度進(jìn) 一步增加。通常采用纖維增強(qiáng)石墨(CFC)作為石墨材料。在這種情 況下，三維、線性地布置纖維增強(qiáng)。根據(jù)定向，纖維的結(jié)構(gòu)給予材料不同的性能。CFC通常借助于Ex-瀝青纖維沿著一個方向得到增強(qiáng)， Ex-瀝青纖維具有最高的強(qiáng)度和導(dǎo)熱性。其它兩個方向借助于Ex-聚 丙烯腈纖維得到增強(qiáng)，其中通常只有一個方向是針剌的。這樣，盡管CFC具有線性材料結(jié)構(gòu)，然而熱屏蔽件/冷卻管連接 幾何形狀是圓形的。由于所用材料的熱膨脹系數(shù)不同，因而在制造過 程中，發(fā)生應(yīng)力聚集，這會導(dǎo)致在CFC中產(chǎn)生裂紋。由于幾何條件和 所用的材料組合，即使能夠檢測，也只能借助于高度復(fù)雜的方法檢測 這些裂紋。在核環(huán)境背景下，這為這種第一壁部件提出了的相應(yīng)問題， 最重要的還是因為裂紋/剝落物被看作是重大事故的可能誘因。盡管 在第一壁部件領(lǐng)域有復(fù)雜、累年的開發(fā)活動，然而迄今為止可獲得的 第一壁部件不能最佳地滿足總體要求。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種第一壁部件，該第一壁部件 可以適當(dāng)?shù)貪M足由機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的要求。根據(jù)本發(fā)明的第一方面實現(xiàn)該目的。第一壁部件包括至少一個 熱屏蔽件，該熱屏蔽件由石墨材料構(gòu)成，并具有朝向等離子體傾斜的 表面A并具有與表面A相反的表面B。熱屏蔽件具有一個或多個狹槽， 該狹槽終止于表面A或表面B，并且沿著冷卻管的軸線方向觀看，該 狹槽在該熱屏蔽件的基本上整個長度上延伸。此外，有利的是，狹槽 底部區(qū)域中的最大狹槽寬度不超過D/2， D是冷卻管的外徑。在實例 中更加詳細(xì)敘述的試驗表明，根據(jù)本發(fā)明的第一壁部件可以適當(dāng)?shù)貞?yīng) 對由制造和熱循環(huán)導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力。有利的是，狹槽大致相對于表面 A或表面B垂直地延伸。狹槽深度x又有利地大于表面A或表面B與 最接近的冷卻管表面之間的距離的二分之一。特別有利的狹槽深度x 的范圍是u/2《x《9u/10， u是沿著豎直方向測量的表面A或表面B 與最接近的冷卻管表面之間的間隔。然而，狹槽甚至也可以一直延伸
到冷卻管或一直延伸到包裹該冷卻管的延性層。在這種情況下，熱屏 蔽件不具有閉合的引入件而具有敞開的引入件。由于通常使用具有圓 形橫截面的冷卻管，因而引入件也具有圓形橫截面。作為例如金剛石鋸法或線切割法等可獲得的石墨材料切削方法的結(jié)果，可以獲得10pm的最小狹槽寬度。優(yōu)選最大狹槽寬度是D/3。 為了避免狹槽底部的應(yīng)力峰值，有利的是，狹槽底部具有處于O. 5X 狹槽寬度范圍內(nèi)的半徑。此外，狹槽終止于表面B是有利的，因為在 使用過程中，在狹槽的面對等離子體的表面上的區(qū)域中發(fā)生輕微的侵 蝕。另一種有利的形式是單狹槽變體，該狹槽指向朝向冷卻管中心點 的方向。在實例中詳細(xì)描述中還表明，使用兩個或三個狹槽也在很大 程度上減小了在制造和熱循環(huán)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。特別是當(dāng)Ex-瀝青 纖維大致相對于表面A垂直地定向，Ex-聚丙烯腈纖維與冷卻管的軸 線平行地定向，并且針刺的Ex-聚丙烯腈纖維相對于冷卻管軸線徑向 定向時，用于熱屏蔽件的CFC與根據(jù)本發(fā)明的狹槽的組合導(dǎo)致特別有 益的組合效果。由于經(jīng)濟(jì)原因并由于高導(dǎo)熱性，應(yīng)當(dāng)優(yōu)選將銅合金用 于冷卻管。此外，可以通過在冷卻管和熱屏蔽件之間引入極軟層(硬 度〈200HV)來減小第一壁部件中的應(yīng)力。下面，例如借助于圖1至圖7和實例來對本發(fā)明進(jìn)行解釋和說明。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的具有狹槽的第一壁部件的斜視圖； 圖2示出根據(jù)圖1的第一壁部件的俯視圖；圖3示出根據(jù)圖1的第一壁部件的橫截面以及CFC纖維方向； 圖4示出根據(jù)本發(fā)明的具有兩個狹槽的第一壁部件的斜視圖； 圖5示出根據(jù)圖4的第一壁部件的俯視圖；圖6示出根據(jù)圖4的第一壁部件的橫截面以及CFC纖維方向；以及圖7示出根據(jù)本發(fā)明的具有V形狹槽的第一壁部件的俯視圖。如下制造根據(jù)圖1至圖3的第一壁部件1:由纖維增強(qiáng)的石墨塊(CFC)做出具有孔4的呈整塊形式的熱屏 蔽件2，高強(qiáng)度Ex-瀝青纖維(Ex-pitch fiber)位于導(dǎo)熱性最高的 方向上，Ex-聚丙烯腈纖維(Ex-PAN fiber)與冷卻管的軸線平行， 而針刺的Ex-聚丙烯腈纖維位于冷卻管軸線上。各個整塊的尺寸是40 mm (Ex-瀝青)、30 mm (Ex-聚丙烯腈)和20 mm (針刺的Ex-聚丙烯 腈)。孔4的直徑是14 mm，并且孔4位于熱屏蔽件2的對稱中心9 處。在進(jìn)一步處理之前，孔4的壁通過激光構(gòu)造，結(jié)果是在CFC中引 入多個錐形洞。這種洞通常具有約0. 5 mm的深度，并在表面上具有 0.2 mm 0. 3 mm的開口。選擇間隔，以便使得孔壁的表面最大化。 在背對等離子體的表面6上，借助于線切割在熱屏蔽件2中引入具有 0.3mm狹槽寬度的狹槽7。狹槽7位于熱屏蔽件2的對稱軸線上，并 從背對等離子體的表面6延伸到位于中心的孔4中。隨后，在例如鈦 等碳化物形成元素存在的情況下，經(jīng)由鑄造工序用無氧銅填充孔4。 這樣進(jìn)行上述工序，即在該鑄造工序的過程中，使得在熱屏蔽件2 中先前引入的O. 3 mm寬的狹槽7不被銅浸濕。在鑄造工序之后，與 加工狀態(tài)相比，狹槽7的側(cè)面具有較小的間隔。這一事實表明，所產(chǎn) 生的應(yīng)力轉(zhuǎn)化為變形。這導(dǎo)致應(yīng)力減小，而第一壁部件1的作用容量 和有益性能不因該尺度而受到損失。此外，也可以通過在冷卻管和熱 屏蔽件2之間設(shè)置由硬度小于200HV的純銅或銅合金構(gòu)成的層8，以 減小第一壁部件中的應(yīng)力。備用狀態(tài)下CFC/Cu界面的目測和金相評 價未給出CFC/Cu復(fù)合物中可能分層的任何跡象。隨后，對這樣獲得的填充銅的孔4進(jìn)行機(jī)械加工，從而在CFC 上保留具有12.5 mm直徑的孔，因而保留約0.5畫 1.0 mm厚的銅層。這樣獲得的具有狹槽7的三個熱屏蔽件2滑動到冷卻管3上， 并引入金屬罐中，該冷卻管由CuCrZr合金構(gòu)成，并具有12 mm的直 徑。在焊接金屬罐之后，抽空該金屬罐，并且隨后密封并真空密閉抽 吸連接件。然后，這樣罐裝的第一壁部件在550'C的溫度和1000巴 的壓強(qiáng)條件下經(jīng)過HIP工序。在此工序過程中，在CuCrZr管3和CFC 熱屏蔽件2的孔4中的銅層之間發(fā)生材料結(jié)合。另外，還發(fā)生CuCrZr 材料的固化，結(jié)果是可以獲得冷卻管3的極佳機(jī)械性能。在連接工序 之后，從這樣獲得的第一壁部件1上取下金屬罐。目測評價未給出關(guān) 于例如分層等任何故障的跡象。用內(nèi)管探針另外進(jìn)行的超聲試驗表明 是理想的界面?？傊谝槐诓考?暴露于VPS工廠的等離子體。在這種情況 下，第一壁部件1與存在于該工廠中的冷卻水系統(tǒng)連接，并由安裝在 該工廠中的機(jī)器人的抓取臂保持。借助于流速、冷卻介質(zhì)和由等離子 體作用的表面5的溫度升高來確定10 MW/m2 15 MW/m2范圍內(nèi)的熱流 量?？偟膩碚f，第一壁部件1通過在等離子體中運(yùn)動循環(huán)約100次。 在運(yùn)動過程中，第一壁部件l在所有情況下保持在等離子體中，直到 冷卻水的溫度不再升高為止。在此試驗之后，檢查第一壁部件1的受 破壞情況。在所研究的任何熱屏蔽件2中都未檢測到裂紋，在不是根 據(jù)本發(fā)明的第一壁部件中還未能實現(xiàn)這一點。實例2根據(jù)實例1制造另一個第一壁部件1。在隨后的試驗中，帶槽的 表面暴露于等離子體。該試驗提供與實例l相似的結(jié)果，區(qū)別在于狹 槽7的區(qū)域中發(fā)生輕微侵蝕。實例3如下制造根據(jù)圖1至圖3的第一壁部件1:由纖維增強(qiáng)的石墨塊(CFC)做出具有孔4的呈整塊形式的熱屏 蔽件2，同樣地，高強(qiáng)度Ex-瀝青纖維位于導(dǎo)熱性最髙的方向上，Ex-聚丙烯腈纖維與冷卻管的軸線平行，而針刺的Ex-聚丙烯腈纖維位于 冷卻管軸線上。此外，具有最高強(qiáng)度的纖維和狹槽7具有偏離至多 2(TC的定向。各個整塊的尺寸與實例1對應(yīng)。如實例1中所述，也進(jìn) 行了激光構(gòu)造和引入錐形洞的工
助于線切割在熱屏蔽件2中引入具有0. 3 mm狹槽寬度的狹槽7。狹 槽7位于熱屏蔽件2的對稱軸線上并穿透孔4。隨后，以與實例l相 似的方式用無氧銅填充孔4，該孔經(jīng)過機(jī)械加工，借助于焊接與由 CuCrZr合金構(gòu)成的冷卻管3連接，焊接溫度處于CuCrZr的溶液熱處 理溫度(97(TC)的范圍內(nèi)。以大于1 K/sec的冷卻速率進(jìn)行從焊接 溫度到400'C以下的冷卻，結(jié)果是可以在隨后以475°C/3h的速率進(jìn) 行的時效硬化的過程中建立最優(yōu)強(qiáng)度值。這樣制造的復(fù)合物在根據(jù)實 例1的熱循環(huán)之后也不會表現(xiàn)出裂紋。實例3a如下制造根據(jù)圖4至圖6的第一壁部件1:由纖維增強(qiáng)的石墨塊(CFC)做出具有孔4的呈整塊形式的熱屏 蔽件2，同樣地，高強(qiáng)度Ex-瀝青纖維位于導(dǎo)熱性最高的方向上，Ex-聚丙烯腈纖維與冷卻管的軸線平行，而針刺的Ex-聚丙烯腈纖維位于 冷卻管軸線上。各個整塊的尺寸與實例l對應(yīng)。如實例1中所述，也 進(jìn)行了激光構(gòu)造和引入錐形洞的工序。在背對等離子體的表面6上， 借助于線切割在熱屏蔽件2中引入具有0.3 mm狹槽寬度的兩個狹槽 7。這些狹槽7相對于熱屏蔽件2的對稱軸線鏡面對稱。狹槽7各具 有0.8u的深度x，優(yōu)選的是，狹槽的深度x的范圍為u/2《x《9u/10， 更優(yōu)選的是，狹槽的深度x的范圍為u/2《x《u，其中u是熱屏蔽面5 和冷卻管3之間的最小間隔。此外，狹槽底部呈弧形，例如狹槽底部 具有處于0.5X狹槽寬度范圍內(nèi)的半徑。隨后，根據(jù)實例3的順序， 以與實例1相似的方式用無氧銅填充孔4，該孔經(jīng)過機(jī)械加工，借助 于焊接與由CuCrZr合金構(gòu)成的冷卻管3材料結(jié)合。這樣制造的復(fù)合 物在根據(jù)實例1的熱循環(huán)之后也不會表現(xiàn)出裂紋。實例4如下制造根據(jù)圖7的第一壁部件1:根據(jù)實例1制造整塊形式的熱屏蔽件2。如圖7所示，在背對等 離子體的表面6上，借助于線切割引入V形狹槽7。如實例l所述進(jìn)
行另外的制造步驟。這樣制造的復(fù)合物在根據(jù)實例1的熱循環(huán)之后也 不會表現(xiàn)出裂紋。
權(quán)利要求
1. 一種聚變反應(yīng)堆的第一壁部件(1)，所述第一壁部件包括 至少一個熱屏蔽件(2)，其由石墨材料構(gòu)成；以及冷卻管(3)，其具有外徑D，冷卻劑流經(jīng)所述冷卻管，所述冷 卻管與所述熱屏蔽件(2)至少部分地材料結(jié)合，并且所述冷卻管由 熱導(dǎo)率大于200 W/ra K的材料構(gòu)成，所述熱屏蔽件(2)具有閉合或敞開的引入件(4)、朝向等離 子體傾斜的表面A (5)、與所述表面A (5)相反的表面B (6)、長 度1和寬度b，其特征在于，所述熱屏蔽件(2)具有至少一個狹槽(7)，所 述狹槽(7)基本在整個長度1上延伸，并終止于表面A (5)或表面 B (6)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的第一壁部件(1)，其特征在于， 在所述狹槽底部的最大狹槽寬度y是D/2。
3. 根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的第一壁部件(1)，其特征在于， 終止于表面A (5)或表面B (6)的所述狹槽(7)基本上相對于各個表面A (5)或表面B (6)垂直地延伸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求
1至3中任一項所述的第一壁部件(1)，其 特征在于，所述狹槽(7)具有深度x，其中u/2《x《u， u是所述熱屏蔽表 面(5， 6)與所述冷卻管(3)之間的最小間隔。
5. 根據(jù)權(quán)利要求
4所述的第一壁部件(1)，其特征在于， 所述狹槽(7) —直延伸到所述冷卻管(3)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求
1至5中任一項所述的第一壁部件(1)，其 特征在于，在所述狹槽底部的最大狹槽寬度y滿足10pm<y<D/3。
7. 根據(jù)權(quán)利要求
1至6中任一項所述的第一壁部件(1)，其 特征在于，所述狹槽底部具有半徑。
8. 根據(jù)權(quán)利要求
1至7中任一項所述的第一壁部件(1)，其 特征在于，所述狹槽(7)終止于表面B (6)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求
1至8中任一項所述的第一壁部件(1)，其 特征在于，所述熱屏蔽件(2)具有一個所述狹槽(7)，所述狹槽(7)沿 著所述冷卻管(3)的中心軸線(9)的方向定向。
10. 根據(jù)權(quán)利要求
1至8中任一項所述的第一壁部件(1)，其 特征在于，所述熱屏蔽件(2)具有兩個所述狹槽(7)，所述兩個狹槽(7) 相對于對稱面鏡面對稱地布置。
11. 根據(jù)權(quán)利要求
1至8中任一項所述的第一壁部件(1)，其 特征在于，所述熱屏蔽件(2)具有三個或更多個所述狹槽(7)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求
1至11中任一項所述的第一壁部件(1)， 其特征在于，所述熱屏蔽件(2)由纖維增強(qiáng)石墨構(gòu)成。
13. 根據(jù)權(quán)利要求
12所述的第一壁部件(1)，其特征在于， 具有最高強(qiáng)度的纖維和所述狹槽(7)具有偏離至多2(TC的定向。
14. 根據(jù)權(quán)利要求
12或13所述的第一壁部件(1)，其特征在于，Ex-瀝青纖維大致相對于表面A垂直地定向，Ex-聚丙烯腈纖維 與冷卻管的軸線平行地定向，并且針刺的Ex-聚丙烯腈纖維相對于冷 卻管軸線徑向定向。
15. 根據(jù)權(quán)利要求
1至14中任一項所述的第一壁部件(1)， 其特征在于，所述冷卻管(3)由銅合金制造。
16. 根據(jù)權(quán)利要求
1至15中任一項所述的第一壁部件(1)， 其特征在于，在所述冷卻管(3)和所述熱屏蔽件(2)之間布置有由硬度小 于200HV的純銅或銅合金構(gòu)成的層(8)。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種聚變反應(yīng)堆的第一壁部件。該第一壁部件包括至少一個熱屏蔽件，該熱屏蔽件具有朝向等離子體傾斜的表面A并具有與表面A相反的表面B，并且該熱屏蔽件由石墨材料構(gòu)成。熱屏蔽件具有一個或多個狹槽，該狹槽終止于表面A或表面B，并且基本上沿著冷卻管的軸線方向定向。該第一壁部件可以適當(dāng)?shù)貞?yīng)對由制造和熱循環(huán)導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力。
文檔編號G21B1/11GKCN101147207SQ200680009205
公開日2008年3月19日 申請日期2006年3月17日
發(fā)明者卡爾海因茨·沙伊貝爾, 安東·察貝尼格, 托馬斯·弗里德里希, 托馬斯·胡貝爾, 漢斯-迪特爾·弗里德勒, 貝爾特拉姆·舍德勒, 迪特馬爾·舍德爾, 阿爾諾·普蘭肯施泰納 申請人:普蘭西歐洲股份公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan