專利名稱：具有管段的第一壁構件的制作方法
技術領域：
本發明涉及熱核反應堆的第一壁構件，其包括至少一個石墨材料的擋熱板和銅或銅合金的冷卻管，所述擋熱板具有一閉合或開放的管道。
背景技術：
這種第一壁構件的用途的典型實例是處于超過10MW/m2的極端高的熱載荷條件下的翻轉器(diverter)和限幅器。第一壁構件通常包括擋熱板和散熱區。擋熱板材料必須與等離子體相容，對物理和化學的濺射具有高的耐受性，高的熔點/升華點以及對熱震的盡可能高的耐受性。另外，它還必須具有高的熱導率，低的中子活化和適當的強度/斷裂韌性，以及好的可利用性和可接受的成本。除了耐熔金屬，例如鎢，石墨材料最佳地符合這種多變化的且在某種程度上有沖突的要求。由于來自等離子體的能量流長時間地作用于這些構件，這種第一壁構件通常是有效冷卻的。通過例如銅或銅合金散熱片散熱，所述散熱片通常由很大程度上粘合(material bond)與擋熱板連接。
銅具有保證散熱的功能。另外，當石墨通過紅銅中間層(例如銅-鉻-鋯)與高強度銅合金連接時，它還履行降低應力的功能。這種情況下，銅層通常的厚度為0.5到3mm。
除了石墨和一種或多種銅材料區，這種第一壁構件還可以包括其他區，例如鋼或鎢合金。
在這種情況下，石墨和銅之間的連接區顯示出這種復合材料的弱點。EP 0 663 670 B1描述了一種用于生產連接區中具有改良強度的冷卻裝置的方法。其中，冷卻裝置的熔化狀態的金屬與耐熱材料接觸，在連接操作過程中，連接區提供一種或多種元素周期表的第IV族和/或第V族金屬元素。如此制成的復合材料具有大大改良的強度。
第一壁構件可由不同的設計制成。這里，所引起的區別為平板狀、鞍狀和整體狀設計。
如果具有一平坦連接面的擋熱板與散熱片連接，冷卻液通過該散熱片流動，這被稱為平瓦狀設計。在鞍狀設計中，具有一半圓形凹槽的擋熱板與管形的散熱片連接。在每種設計中，散熱片具有形成熱量輸入側和冷卻介質之間的熱觸點的功能，且因而暴露于由溫度梯度和連接在一起的元素的不同膨脹系數所引起循環的、由熱引起的載荷中。在整體狀設計中，第一壁構件包括一具有同心管道的擋熱板。擋熱板通過該同心管道與冷卻管連接。
由于幾何條件，由銅中間層的塑性變形所引起的應力降低，在平瓦狀設計中比在存在三維應力狀態的整體狀設計中更有效地發生，這最大程度地抑制了塑性變形。由于這種受限制的應力降低，因此石墨材料中會出現裂縫。
第一壁構件不僅須經受由熱引起的機械應力，而且還須經受額外發生的機械應力。這種額外的機械載荷可能由電磁引起的電流生成，這些電流流入構件并與周圍的磁場相互作用。這可以涉及高頻率加速力的出現，其必須由擋熱板傳輸。然而，石墨材料具有低的機械強度和斷裂韌性。另外，在使用期間發生的中子脆化使得這些材料的靈敏性的進一步增加，導致裂縫發生。
纖維強化石墨(CFC)通常用作石墨材料。這里，纖維實施是三維和直線性設置的。取決于空間方向，該纖維的體系結構可提供具有不同特性的材料。通常，CFC由前-樹脂(ex-pitch)纖維在一個空間方向里強化，其兼具最好的強度和導熱性。由前-PAN纖維強化另外兩個空間方向，通常僅一個方向被針刺。
因此，當CFC具有線性材料的體系結構時，擋熱板/冷卻管連接的幾何結構對單塊設計來說是圓形的。由于所使用材料不同的熱膨脹系數，在生產工藝過程中發生累積的壓力，且該壓力可以導致CFC中的裂縫。
由于所使用的組合材料的幾何條件，如果有的話，這些裂縫只能用很復雜的方法才能檢測。針對這種構件的核輻射環境背景，其產生相應的問題，特別是因為裂縫/脫離可被認為是更重大事件的可能的誘因。
盡管在第一壁構件領域中的費勁的研究工作已經進行了許多年，迄今為止可用的結構構件仍沒有最佳地符合要求。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種整體狀設計的第一壁構件，其以適當的方式符合機械和物理應力的要求。
該目的通過權利要求1的特征來實現。
本發明的第一壁構件包括至少一個石墨材料的擋熱板和銅或銅合金的冷卻管，所述擋熱板具有閉合或開放的管道，且所述擋熱板和冷卻管之間設置有一管段。所述管段通過易延展的銅層分別與擋熱板和冷卻管相連。
管段具有降低擋熱板里的由不同的膨脹系數產生的內應力的作用。為了以最佳方式獲得該作用，有利地，擋熱板和管段的膨脹系數是相似的，且管段具有至少0.2mm的足夠厚度，以及盡可能高的導熱性和強度。如果厚度較小，則不能實現足夠的壓力降低。歸因于幾何條件，上限約為1.5mm。
能很好滿足管段的機械/物理要求的材料包括鉬、鉬合金、鎢和鎢合金。
特別要注意的是鎢-銅系統和鉬-銅系統中的假合金。就鎢-銅來說，優選的含銅量為5到25wt％，就鉬-銅來說，優選的含銅量為15到40wt％。管段可帶有一20°到180°的開度角α，優選50°到130°。開度角較大時，壓力降低不足夠。開度角較小時，熱通量受阻。
有利地，開度角α的角平分線垂直于暴露在等離子體中的擋熱板的表面。該擋熱板通過一含銅層與管段連接，管段同樣也依次通過一含銅層與冷卻管連接。這些層同樣起應力降低的作用。管段的開放區同樣填滿銅或銅合金，以便在該區內擋熱板通過該含銅區與冷卻管連接。因而，在該區內，熱通量不會被管段減弱。
通過擋熱板的管道優選為閉合的并以孔形成，其壁通過激光構造，該壁被金屬地和/或碳化地激活。
為制造本發明的第一壁構件，首先將一管道，優選為一孔，引入到一塊石墨材料，優選CFC中。管道表面優選通過激光構造，并隨后被金屬地和/或碳化地以這樣一種方法激活，以致激活面可被液態銅潤濕。隨后管段插入以這種方式預處理后的管道中。本發明中，優選的管段厚度為0.2到約1.5mm。管段與激活管道的壁之間的間隙約為0.2到0.8mm。該間隙中引入一紅銅套管。且紅銅套管對著管段的內徑設置。以這種方式產生的構造在真空或惰性氣體下加熱到高于銅的熔點的溫度。為確保銅的補充，特別是在CFC，管段和管段的開放區之間的間隙里，提供一相應的銅庫。
這產生了一種具有以下徑向構造的復合物(從外到內)CFC/激活層/銅/鉬-銅或鎢-銅/銅。
銅合金冷卻管，優選銅-鉻-鋯冷卻管，可以由常用的標準方法例如焊接或HIP工藝在很大程度上粘合到內銅層上。
圖1是本發明第一壁構件的斜投影圖。
圖2是如圖1所示的本發明第一壁構件的主視圖。
圖3是管段的斜投影圖。
具體實施例方式
以下通過實施例詳細描述本發明。
使用尺寸為45mm×30mm×25mm的CFC擋熱板2來制造第一壁構件1。該CFC擋熱板2具有三維纖維結構，取決于方向得到不同的特性。具有最高熱導率的纖維與45mm的外形尺寸平行設置。具有平均熱導率的纖維束與30mm的外形尺寸平行設置。在其對稱中心，將直徑為18mm的通孔4垂直引入30mm×45mm的區域。隨后通過激光構造該25mm深的孔，實現表面積增加超過100％。該圓錐形激光孔的深度約為1000μm，表面的開放寬度約為200μm。本實施例中，選擇這樣的激光脈沖序列，使得單個孔盡可能靠攏設置。以這種方式處理的表面被激活，因此在CFC材料2上產生了被液態銅潤濕的碳化結合面。這由涂敷于該表面的鈦實現。然后，將該部件加熱到高于鈦熔點的溫度，由于毛細管作用力，熔化的鈦滲入CFC，從而形成碳化鈦。碳化鈦一方面通過良好的化學物粘附到CFC上，另一方面使得擋熱板2對于液態銅是可潤濕的。然后，將厚度為0.4mm的紅銅薄片這樣設置在激活孔4里，使得形成一圓柱體，其對著擋熱板2中的孔的內側設置。隨后，將高度為25mm，外徑為17mm，壁厚為0.5mm和開度角α為90°的銅含量為10wt％的鎢管段5引入該孔。該實施例中，開度角α的角平分線垂直設置在45mm×25mm區域上。在使用期間，該區域9與等離子體接觸。外徑為15.8mm的銅核心設置在管段5的內區里，該核心有一直徑為20mm的前端。該前端的功能是融體庫。隨后將該組件設置在真空加熱爐中，在真空下加熱約10分鐘到1100℃，隨后引入冷卻階段。
以這種方式，擋熱板2通過銅層6與管段5連接。管段5的開放區8同樣填滿銅。隨后，以這種方式產生的整體汽缸座可在各方面工作。在每種情況下，原來的外形尺寸因此減少了1mm，因此在進一步加工之前，整體汽缸座具有的外形尺寸為44mm×29mm×24mm。填充銅的管道4被鉆成直徑為15mm。該實施例中，內徑有一連續的銅層7。然后將一外徑為14.8mm的銅-鉻-鋯管3設置在管道4里。隨后，冷卻管3和整體汽缸座通過HIP工藝在很大程度上粘合，因此得到一可有效冷卻的第一壁構件1。
權利要求
1.熱核反應堆的第一壁構件(1)，其包括至少一個石墨材料的擋熱板(2)和銅或銅合金的冷卻管(3)，所述擋熱板(2)具有閉合或開放的管道(4)，其特征在于，所述擋熱板(2)和冷卻管(3)之間設置有一管段(5)，所述管段(5)的至少某些區域通過含銅層(6，7)與擋熱板(2)和冷卻管(3)連接。
2.如權利要求1所述的第一壁構件(1)，其特征在于，所述管段(5)具有一20到180°的開度角α。
3.如權利要求2所述的第一壁構件(1)，其特征在于，所述管段(5)的所述開度角α為50°到130°。
4.如權利要求1到3任一所述的第一壁構件(1)，其特征在于，所述開度角α的角平分線垂直于與等離子體接觸的擋熱板(2)的表面(9)。
5.如權利要求1到4任一所述的第一壁構件(1)，其特征在于，所述管段(5)的壁厚為0.2到1.5mm。
6.如權利要求1到5任一所述的第一壁構件(1)，其特征在于，所述擋熱板(2)通過含銅區在管段(5)的開放區(8)與冷卻管(3)連接。
7.如權利要求1到6任一所述的第一壁構件(1)，其特征在于，組成所述管段(5)的材料包括鉬、鉬合金、鎢和鎢合金。
8.如權利要求7所述的第一壁構件(1)，其特征在于，所述管段(5)由鉬-銅或鎢-銅構成。
9.如權利要求1到8任一所述的第一壁構件(1)，其特征在于，所述擋熱板(2)由CFC構成。
10.如權利要求1到9任一所述的第一壁構件(1)，其特征在于，所述冷卻管(3)由銅-鉻-鋯構成。
11.如權利要求1到10任一所述的第一壁構件(1)，其特征在于，所述管道(4)是一孔。
12.如權利要求1到11任一所述的第一壁構件(1)，其特征在于，所述管道(4)通過激光構造。
13.如權利要求1到12任一所述的第一壁構件(1)，其特征在于，所述管道(4)的壁的至少某些區域具有碳化鈦層。
全文摘要
本發明涉及熱核反應堆的第一壁構件，其包括至少一個石墨材料的擋熱板和銅或銅合金的冷卻管。所述擋熱板和冷卻管之間設置有一管段，所述管段的至少某些區域通過含銅層與擋熱板和冷卻管連接。
文檔編號F28F21/00GK1983459SQ20061016841
公開日2007年6月20日 申請日期2006年12月4日 優先權日2005年12月6日
發明者B·舍德勒, Th·胡貝爾, A·察貝尼格, K·沙伊貝爾, D·舍德勒, Th·弗里德里希, H-D·弗里德爾, S·邁爾, N·韋爾萊 申請人:普蘭西歐洲股份公司