2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of the W/ODS-Cu divertor heat removal component by using the Advanced Multi-Step Brazing (AMSB)
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20H01887
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
時谷 政行 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (30455208)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 先進的ろう付接合 / ダイバータ / タングステン / 銅合金 / 微細構造解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，研究代表者が発明した世界初のろう付接合法「先進多段階ろう付接合法(Advanced Multi-Step Brazing: AMSB)」を用いて，酸化物分散強化銅(ODS-Cu)，具体的にはGlidCopをヒートシンク材料に，タングステン(W)をアーマー材料とした世界最高性能の核融合炉用ダイバータ受熱機器の設計・製造技術の確立である．
AMSBは，同じく研究代表者により発明された「先進的ろう付接合法」を応用したものである．2021年度は，本予算で導入した高温真空熱処理炉の温度計測系および冷却系の改善・増強を実施した．それと並行してAMSBにより小型ダイバータ受熱機器試験体の製造を行った．基本的な製造法を確立させ，複数体の試験体を健全な状態で製造することに成功した．その一方で，製造時の条件によって一部のタングステン(W)に微細なクラックが生じる現象が確認された．クラックが生じる要因となるろう付熱処理時の条件として考えられるものの一つに，タングステン(W)とGlidCopヒートシンクを接合させる際に加える圧縮荷重がある．適切な圧縮荷重を選択することで，接合時の空隙の除去とGlidCop表面層に形成される軟化層の厚さを最適化することができると考えられる．ろう付熱処理時の条件以外でタングステン(W)への微細なクラック発生を抑制できる手段の一つが，靭性に優れたタングステン(W)素材を使用することである．
上記の事実を踏まえると，ろう付熱処理時の条件の最適化および改良された機械的特性を有するタングステン(W)素材の使用が，小型ダイバータ受熱機器試験体の製造条件の確立に必要であると考えられる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画では，2021年度は2020年度に導入された高温真空熱処理炉の整備を実施し，「(A)先進的ろう付接合法で作成した各種接合試験体の機械的特性評価」と「(B)AMSBによる小型ダイバータ受熱機器製造」を並行して実施する予定であった．また，高温真空熱処理炉の整備中は接合熱処理が不便となるため，外注により真空熱処理を利用する計画であった．上記(A)において，最適化パラメータである「ろう材厚さ」，「接合時圧縮荷重値」，「熱処理温度」をある程度絞り，上記(B)へと移ったが，最適化パラメータのうち特に「接合時圧縮荷重値」が小型ダイバータ受熱機器製造時にタングステン(W)への微細なクラックの発生に強く影響を及ぼすことを明らかにした．また，靭性に優れたタングステン(W)素材の使用も機器の健全性維持に重要であることが示唆された．タングステン(W)への微細なクラックの発生は，当初は抑制することがそれほど難しくないと思っていた事項であったが，実際に小型ダイバータ受熱機器を製造することで，抑制には接合熱処理条件の最適化とタングステン(W)素材の選定に注意深く気を配る必要があることが認識された．以上の事実は当初予想していた以上の問題提起とその問題解決策の提示が成されたことを意味し，研究全体として考えた場合「当初の計画以上に進展している」と言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の目的を達成するためには，まず，強靭な接合部が得られる物理を解明するため，「（１）ろう付接合部の詳細な機械的特性評価と微細構造解析」が必要である．次に，AMSBで製造する冷却構造の限界性能を確かめるため，「（２）AMSBで小型ダイバータ受熱機器試験体を製造し，20MW/m2以上の定常熱負荷試験」を実施する必要がある．（１）と（２）の知見を基に更なる接合特性の改善を図ることで，「（３）AMSBによる大規模ダイバータ受熱機器の設計・製造技術の確立」を行う．
2020年度と2021年度は上記の（１）と（２）に注力し，最適化パラメータである「ろう材厚さ」，「接合時圧縮荷重値」，「熱処理温度」をある程度絞ることができた．一方で，（２）においては，小型ダイバータ受熱機器製造時にタングステン(W)への微細なクラックの発生に「接合時圧縮荷重値」が特に強く影響すること，また，靭性に優れたタングステン(W)素材の使用も重要であること，が知見として得られた．2022年度においては微細なクラック発生の要因を物理的に明らかにし，圧縮荷重値を含めた最適な接合時パラメータを確立させる．また，靭性に優れたタングステン(W)を使用した小型ダイバータ受熱機器製造試験も行い，機器製造法を確立させる．完成した小型ダイバータ受熱機器試験体に対して電子ビーム熱負荷試験を実施し，除熱性能を評価する．ここで確認すべき重要な点は，小型ダイバータ受熱機器試験体の冷却流路を含めた構造が除熱性能に対して要求を満たしているか否かを判断することである．これには，電子ビーム熱負荷試験で実施した温度計測結果と有限要素法解析で得られる温度分布を比較することで正確な除熱性能を評価できると考えている．結果を基に，AMSB機器製造における冷却流路設計や接合部形状の最適化の指針を得る．
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[Presentation] Advanced Multi-Step Brazing (AMSB) for fabrication of the new type W/ODS-Cu plasma facing components2022
Author(s)
M. Tokitani, T. Yamashita, Y. Hamaji, Y. Hiraoka, H. Noto, S. Masuzaki, T. Tsuneyoshi, Y. Tsuji, T. Muroga, S. Shimabukuro, N. Yoshida, H. Idei, K. Kono, M. Oya, T. Onchi, R. Ikezoe
Organizer
ISPlasma2022/IC-PLANTS2022
Int'l Joint Research
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[Presentation] Advanced Multi-Step Brazing (AMSB) for fabrication of the new type W/ODS-Cu divertor heat removal component2021
Author(s)
M. Tokitani, Y. Hamaji, Y. Hiraoka, S. Masuzaki, H. Tamura, H. Noto, T. Tanaka, T. Tsuneyoshi, Y. Tsuji, T. Muroga, A. Sagara, the FFHR Design Group, Y. Hayashi, G. Motojima, H. Hayashi, T. Murase, T. Morisaki, the LHD Experiment Group
Organizer
20th International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-20)
Int'l Joint Research
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