专利名称:聚变反应堆的第一壁部件的制作方法
聚变反应堆的第一壁部件技术领域：
本发明涉及聚变反应堆的第一壁部件，该第一壁部件包括至 少一个热屏蔽件，其由石墨材料构成，并具有闭合或敞开的引入件；以及冷却管，冷却剂流经该冷却管，该冷却管与该热屏蔽件至少部分地材料结合，并且该冷却管由热导率大于200 W/m'K的材料构成。
技术背景使用这种第一壁部件的典型实例是受到大于10 MW/m2的最高可 能热负荷的分流器和限制器。第一壁部件通常由热屏蔽件和散热区域 构成。热屏蔽件的材料必须与等离子体相容，具有对于物理和化学溅 射的高耐受性，具有高的熔点/升华点，以及尽可能高的抵抗热冲击 性。另外，热屏蔽件的材料还必须具有高的导热性、低的中子活性和 足够的强度/断裂韧性，以及好的可获得性和可接受的成本。除了例 如钨等难熔金属之外，石墨材料(例如纤维增强石墨)可以最好地符 合这些不同的、有时是互相矛盾的总体要求。由于来自等离子体的能 量流在很长的时间阶段内作用于这些第一壁部件上，因而这种第一壁 部件通常被主动冷却。通过吸热器来实现热量排放，该吸热器由例如 铜或铜合金构成，并且通常与热屏蔽件机械连接。可以用不同设计实现第一壁部件。在这方面，常规设计是通常 所说的整块设计。在整块设计中，第一壁部件由具有同心孔的热屏蔽 件构成。热屏蔽件经由该同心孔与冷却管连接。第一壁部件不仅必须耐受热引起的机械应力，而且必须耐受另外产生的机械应力。这种另外的机械载荷可以经由电磁感应电流而产 生，电磁感应电流流入第一壁部件并与周围的磁场相互作用。在这种 情况下，会出现必须由热屏蔽件(即例如由石墨材料)传递的高频加 速力。然而，石墨材料具有低的机械强度和断裂韧性。另外，在使用
过程中，发生中子脆变，从而导致这些材料对于裂纹引入的敏感度进 一步增加。通常采用纤维增强石墨(CFC)作为石墨材料。在这种情 况下，三维、线性地布置纤维增强。根据定向，纤维的结构给予材料不同的性能。CFC通常借助于Ex-沥青纤维沿着一个方向得到增强， Ex-沥青纤维具有最高的强度和导热性。其它两个方向借助于Ex-聚 丙烯腈纤维得到增强，其中通常只有一个方向是针剌的。这样，尽管CFC具有线性材料结构，然而热屏蔽件/冷却管连接 几何形状是圆形的。由于所用材料的热膨胀系数不同，因而在制造过 程中，发生应力聚集，这会导致在CFC中产生裂纹。由于几何条件和 所用的材料组合，即使能够检测，也只能借助于高度复杂的方法检测 这些裂纹。在核环境背景下，这为这种第一壁部件提出了的相应问题， 最重要的还是因为裂纹/剥落物被看作是重大事故的可能诱因。尽管 在第一壁部件领域有复杂、累年的开发活动，然而迄今为止可获得的 第一壁部件不能最佳地满足总体要求。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种第一壁部件，该第一壁部件 可以适当地满足由机械应力产生的要求。根据本发明的第一方面实现该目的。第一壁部件包括至少一个 热屏蔽件，该热屏蔽件由石墨材料构成，并具有朝向等离子体倾斜的 表面A并具有与表面A相反的表面B。热屏蔽件具有一个或多个狭槽， 该狭槽终止于表面A或表面B，并且沿着冷却管的轴线方向观看，该 狭槽在该热屏蔽件的基本上整个长度上延伸。此外，有利的是，狭槽 底部区域中的最大狭槽宽度不超过D/2， D是冷却管的外径。在实例 中更加详细叙述的试验表明，根据本发明的第一壁部件可以适当地应 对由制造和热循环导致的机械应力。有利的是，狭槽大致相对于表面 A或表面B垂直地延伸。狭槽深度x又有利地大于表面A或表面B与 最接近的冷却管表面之间的距离的二分之一。特别有利的狭槽深度x 的范围是u/2《x《9u/10， u是沿着竖直方向测量的表面A或表面B 与最接近的冷却管表面之间的间隔。然而，狭槽甚至也可以一直延伸
到冷却管或一直延伸到包裹该冷却管的延性层。在这种情况下，热屏 蔽件不具有闭合的引入件而具有敞开的引入件。由于通常使用具有圆 形横截面的冷却管，因而引入件也具有圆形横截面。作为例如金刚石锯法或线切割法等可获得的石墨材料切削方法的结果，可以获得10pm的最小狭槽宽度。优选最大狭槽宽度是D/3。 为了避免狭槽底部的应力峰值，有利的是，狭槽底部具有处于O. 5X 狭槽宽度范围内的半径。此外，狭槽终止于表面B是有利的，因为在 使用过程中，在狭槽的面对等离子体的表面上的区域中发生轻微的侵 蚀。另一种有利的形式是单狭槽变体，该狭槽指向朝向冷却管中心点 的方向。在实例中详细描述中还表明，使用两个或三个狭槽也在很大 程度上减小了在制造和热循环过程中产生的应力。特别是当Ex-沥青 纤维大致相对于表面A垂直地定向，Ex-聚丙烯腈纤维与冷却管的轴 线平行地定向，并且针刺的Ex-聚丙烯腈纤维相对于冷却管轴线径向 定向时，用于热屏蔽件的CFC与根据本发明的狭槽的组合导致特别有 益的组合效果。由于经济原因并由于高导热性，应当优选将铜合金用 于冷却管。此外，可以通过在冷却管和热屏蔽件之间引入极软层(硬 度〈200HV)来减小第一壁部件中的应力。下面，例如借助于图1至图7和实例来对本发明进行解释和说明。
图1示出根据本发明的具有狭槽的第一壁部件的斜视图； 图2示出根据图1的第一壁部件的俯视图；图3示出根据图1的第一壁部件的横截面以及CFC纤维方向； 图4示出根据本发明的具有两个狭槽的第一壁部件的斜视图； 图5示出根据图4的第一壁部件的俯视图；图6示出根据图4的第一壁部件的横截面以及CFC纤维方向；以及图7示出根据本发明的具有V形狭槽的第一壁部件的俯视图。如下制造根据图1至图3的第一壁部件1:由纤维增强的石墨块(CFC)做出具有孔4的呈整块形式的热屏 蔽件2，高强度Ex-沥青纤维(Ex-pitch fiber)位于导热性最高的 方向上，Ex-聚丙烯腈纤维(Ex-PAN fiber)与冷却管的轴线平行， 而针刺的Ex-聚丙烯腈纤维位于冷却管轴线上。各个整块的尺寸是40 mm (Ex-沥青)、30 mm (Ex-聚丙烯腈)和20 mm (针刺的Ex-聚丙烯 腈)。孔4的直径是14 mm，并且孔4位于热屏蔽件2的对称中心9 处。在进一步处理之前，孔4的壁通过激光构造，结果是在CFC中引 入多个锥形洞。这种洞通常具有约0. 5 mm的深度，并在表面上具有 0.2 mm 0. 3 mm的开口。选择间隔，以便使得孔壁的表面最大化。 在背对等离子体的表面6上，借助于线切割在热屏蔽件2中引入具有 0.3mm狭槽宽度的狭槽7。狭槽7位于热屏蔽件2的对称轴线上，并 从背对等离子体的表面6延伸到位于中心的孔4中。随后，在例如钛 等碳化物形成元素存在的情况下，经由铸造工序用无氧铜填充孔4。 这样进行上述工序，即在该铸造工序的过程中，使得在热屏蔽件2 中先前引入的O. 3 mm宽的狭槽7不被铜浸湿。在铸造工序之后，与 加工状态相比，狭槽7的侧面具有较小的间隔。这一事实表明，所产 生的应力转化为变形。这导致应力减小，而第一壁部件1的作用容量 和有益性能不因该尺度而受到损失。此外，也可以通过在冷却管和热 屏蔽件2之间设置由硬度小于200HV的纯铜或铜合金构成的层8，以 减小第一壁部件中的应力。备用状态下CFC/Cu界面的目测和金相评 价未给出CFC/Cu复合物中可能分层的任何迹象。随后，对这样获得的填充铜的孔4进行机械加工，从而在CFC 上保留具有12.5 mm直径的孔，因而保留约0.5画 1.0 mm厚的铜层。这样获得的具有狭槽7的三个热屏蔽件2滑动到冷却管3上， 并引入金属罐中，该冷却管由CuCrZr合金构成，并具有12 mm的直 径。在焊接金属罐之后，抽空该金属罐，并且随后密封并真空密闭抽 吸连接件。然后，这样罐装的第一壁部件在550'C的温度和1000巴 的压强条件下经过HIP工序。在此工序过程中，在CuCrZr管3和CFC 热屏蔽件2的孔4中的铜层之间发生材料结合。另外，还发生CuCrZr 材料的固化，结果是可以获得冷却管3的极佳机械性能。在连接工序 之后，从这样获得的第一壁部件1上取下金属罐。目测评价未给出关 于例如分层等任何故障的迹象。用内管探针另外进行的超声试验表明 是理想的界面。总之，第一壁部件1暴露于VPS工厂的等离子体。在这种情况 下，第一壁部件1与存在于该工厂中的冷却水系统连接，并由安装在 该工厂中的机器人的抓取臂保持。借助于流速、冷却介质和由等离子 体作用的表面5的温度升高来确定10 MW/m2 15 MW/m2范围内的热流 量。总的来说，第一壁部件1通过在等离子体中运动循环约100次。 在运动过程中，第一壁部件l在所有情况下保持在等离子体中，直到 冷却水的温度不再升高为止。在此试验之后，检查第一壁部件1的受 破坏情况。在所研究的任何热屏蔽件2中都未检测到裂纹，在不是根 据本发明的第一壁部件中还未能实现这一点。实例2根据实例1制造另一个第一壁部件1。在随后的试验中，带槽的 表面暴露于等离子体。该试验提供与实例l相似的结果，区别在于狭 槽7的区域中发生轻微侵蚀。实例3如下制造根据图1至图3的第一壁部件1:由纤维增强的石墨块(CFC)做出具有孔4的呈整块形式的热屏 蔽件2，同样地，高强度Ex-沥青纤维位于导热性最髙的方向上，Ex-聚丙烯腈纤维与冷却管的轴线平行，而针刺的Ex-聚丙烯腈纤维位于 冷却管轴线上。此外，具有最高强度的纤维和狭槽7具有偏离至多 2(TC的定向。各个整块的尺寸与实例1对应。如实例1中所述，也进 行了激光构造和引入锥形洞的工
助于线切割在热屏蔽件2中引入具有0. 3 mm狭槽宽度的狭槽7。狭 槽7位于热屏蔽件2的对称轴线上并穿透孔4。随后，以与实例l相 似的方式用无氧铜填充孔4，该孔经过机械加工，借助于焊接与由 CuCrZr合金构成的冷却管3连接，焊接温度处于CuCrZr的溶液热处 理温度(97(TC)的范围内。以大于1 K/sec的冷却速率进行从焊接 温度到400'C以下的冷却，结果是可以在随后以475°C/3h的速率进 行的时效硬化的过程中建立最优强度值。这样制造的复合物在根据实 例1的热循环之后也不会表现出裂纹。实例3a如下制造根据图4至图6的第一壁部件1:由纤维增强的石墨块(CFC)做出具有孔4的呈整块形式的热屏 蔽件2，同样地，高强度Ex-沥青纤维位于导热性最高的方向上，Ex-聚丙烯腈纤维与冷却管的轴线平行，而针刺的Ex-聚丙烯腈纤维位于 冷却管轴线上。各个整块的尺寸与实例l对应。如实例1中所述，也 进行了激光构造和引入锥形洞的工序。在背对等离子体的表面6上， 借助于线切割在热屏蔽件2中引入具有0.3 mm狭槽宽度的两个狭槽 7。这些狭槽7相对于热屏蔽件2的对称轴线镜面对称。狭槽7各具 有0.8u的深度x，优选的是，狭槽的深度x的范围为u/2《x《9u/10， 更优选的是，狭槽的深度x的范围为u/2《x《u，其中u是热屏蔽面5 和冷却管3之间的最小间隔。此外，狭槽底部呈弧形，例如狭槽底部 具有处于0.5X狭槽宽度范围内的半径。随后，根据实例3的顺序， 以与实例1相似的方式用无氧铜填充孔4，该孔经过机械加工，借助 于焊接与由CuCrZr合金构成的冷却管3材料结合。这样制造的复合 物在根据实例1的热循环之后也不会表现出裂纹。实例4如下制造根据图7的第一壁部件1:根据实例1制造整块形式的热屏蔽件2。如图7所示，在背对等 离子体的表面6上，借助于线切割引入V形狭槽7。如实例l所述进
行另外的制造步骤。这样制造的复合物在根据实例1的热循环之后也 不会表现出裂纹。
权利要求
1. 一种聚变反应堆的第一壁部件(1)，所述第一壁部件包括 至少一个热屏蔽件(2)，其由石墨材料构成；以及冷却管(3)，其具有外径D，冷却剂流经所述冷却管，所述冷 却管与所述热屏蔽件(2)至少部分地材料结合，并且所述冷却管由 热导率大于200 W/ra K的材料构成，所述热屏蔽件(2)具有闭合或敞开的引入件(4)、朝向等离 子体倾斜的表面A (5)、与所述表面A (5)相反的表面B (6)、长 度1和宽度b，其特征在于，所述热屏蔽件(2)具有至少一个狭槽(7)，所 述狭槽(7)基本在整个长度1上延伸，并终止于表面A (5)或表面 B (6)。
2. 根据权利要求
1所述的第一壁部件(1)，其特征在于， 在所述狭槽底部的最大狭槽宽度y是D/2。
3. 根据权利要求
1或2所述的第一壁部件(1)，其特征在于， 终止于表面A (5)或表面B (6)的所述狭槽(7)基本上相对于各个表面A (5)或表面B (6)垂直地延伸。
4. 根据权利要求
1至3中任一项所述的第一壁部件(1)，其 特征在于，所述狭槽(7)具有深度x，其中u/2《x《u， u是所述热屏蔽表 面(5， 6)与所述冷却管(3)之间的最小间隔。
5. 根据权利要求
4所述的第一壁部件(1)，其特征在于， 所述狭槽(7) —直延伸到所述冷却管(3)。
6. 根据权利要求
1至5中任一项所述的第一壁部件(1)，其 特征在于，在所述狭槽底部的最大狭槽宽度y满足10pm<y<D/3。
7. 根据权利要求
1至6中任一项所述的第一壁部件(1)，其 特征在于，所述狭槽底部具有半径。
8. 根据权利要求
1至7中任一项所述的第一壁部件(1)，其 特征在于，所述狭槽(7)终止于表面B (6)。
9. 根据权利要求
1至8中任一项所述的第一壁部件(1)，其 特征在于，所述热屏蔽件(2)具有一个所述狭槽(7)，所述狭槽(7)沿 着所述冷却管(3)的中心轴线(9)的方向定向。
10. 根据权利要求
1至8中任一项所述的第一壁部件(1)，其 特征在于，所述热屏蔽件(2)具有两个所述狭槽(7)，所述两个狭槽(7) 相对于对称面镜面对称地布置。
11. 根据权利要求
1至8中任一项所述的第一壁部件(1)，其 特征在于，所述热屏蔽件(2)具有三个或更多个所述狭槽(7)。
12. 根据权利要求
1至11中任一项所述的第一壁部件(1)， 其特征在于，所述热屏蔽件(2)由纤维增强石墨构成。
13. 根据权利要求
12所述的第一壁部件(1)，其特征在于， 具有最高强度的纤维和所述狭槽(7)具有偏离至多2(TC的定向。
14. 根据权利要求
12或13所述的第一壁部件(1)，其特征在于，Ex-沥青纤维大致相对于表面A垂直地定向，Ex-聚丙烯腈纤维 与冷却管的轴线平行地定向，并且针刺的Ex-聚丙烯腈纤维相对于冷 却管轴线径向定向。
15. 根据权利要求
1至14中任一项所述的第一壁部件(1)， 其特征在于，所述冷却管(3)由铜合金制造。
16. 根据权利要求
1至15中任一项所述的第一壁部件(1)， 其特征在于，在所述冷却管(3)和所述热屏蔽件(2)之间布置有由硬度小 于200HV的纯铜或铜合金构成的层(8)。
专利摘要
本发明涉及一种聚变反应堆的第一壁部件。该第一壁部件包括至少一个热屏蔽件，该热屏蔽件具有朝向等离子体倾斜的表面A并具有与表面A相反的表面B，并且该热屏蔽件由石墨材料构成。热屏蔽件具有一个或多个狭槽，该狭槽终止于表面A或表面B，并且基本上沿着冷却管的轴线方向定向。该第一壁部件可以适当地应对由制造和热循环导致的机械应力。
文档编号G21B1/11GKCN101147207SQ200680009205
公开日2008年3月19日 申请日期2006年3月17日
发明者卡尔海因茨·沙伊贝尔, 安东·察贝尼格, 托马斯·弗里德里希, 托马斯·胡贝尔, 汉斯-迪特尔·弗里德勒, 贝尔特拉姆·舍德勒, 迪特马尔·舍德尔, 阿尔诺·普兰肯施泰纳 申请人:普兰西欧洲股份公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan