改質CFC材を用いたダイバータ板の熱・粒子の制御に関する基礎実験および解析

改性CFC材料偏滤器热量和颗粒控制的基础实验与分析

• 批准号: 09780463
• 负责人: 藤田 一郎
• 金额: $ 1.28万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1997
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1997 至 1998
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-09780463/
• 关键词: 高熱流束機器; ダイバータ板; ボロン転化CFC; シリコン転化CFC; 有限要素法解析; 熱伝達相関式

本研究では、ダイバータ部の熱負荷および粒子負荷によるダイバータ板の損耗とそれに対するプラズマへの影響について解析を行い、実機において適用可能なダイバータの構造および性能についての考察を行うことを目的としている。第一年目として、ダイバータ板の冷却構造および除熱特性について考察した。銅のヒートシンク材と炭素繊維複合材(CFC材)を冶金的に接合したダイバータモックアップを作成した。CFC材の表面をボロン化およびシリコン化した転化CFC材、シリコン転化CFC材を用いたモックアップも作製した。まず、これらの熱特性を評価した。同じ熱負荷に対して、ボロン転化CFC材を用いたダイバータ接合体の表面温度が最も高く、改質を行わないCFC材を用いた接合体のものが最も低かった。これは、CFC材の熱伝導率に対応している。また、照射促進昇華を抑制するという観点からCFC材の表面温度が1000℃に達する熱流速を評価すると、ボロン転化CFC接合体が約8MW/m^2、シリコン転化CFC接合体が約10MW/m^2、改質を行っていないCFC接合体が約11MW/m^2であった。熱負荷にさらされたダイバータ接合体の改質CFC材の表面近傍のボロンあるいはシリコン濃度は、各々約600℃、800℃以上に表面温度が上昇した場合に減少傾向が見られた。しかしながら、ごく表面層にとどまり、接合体全体の熱伝導特性に劣化は見られなかった。また、既存の熱伝達率相関式を用いて、有限要素法解析をおこなった。実験を行った接合体の熱伝達率は、荒木(JAERI)等によって提唱されている片面加熱条件下での相関式が適していることを見いだした。

本研究的目的是分析偏滤器热载荷和颗粒载荷对偏滤器板造成的磨损及其对等离子体的影响，并考虑可在实际设备中应用的偏滤器的结构和性能。第一年，我们考虑了分流板的冷却结构和散热特性。通过冶金结合铜散热器材料和碳纤维复合材料（CFC 材料）创建了分流器模型。还使用转换后的 CFC 材料（其中 CFC 材料的表面经过硼化和硅化）以及硅化 CFC 材料创建了模型。首先，我们评估了它们的热性能。对于相同的热负荷，采用硼改性CFC材料的分流器组件表面温度最高，采用未改性CFC材料的分流器组件表面温度最低。这对应于 CFC 材料的导热率。另外，从抑制辐照升华的角度评价CFC材料表面温度达到1000℃时的热流量时，硼变换CFC接合材料约为8MW/m^2，硅- 转换后的 CFC 键合材料约为 10 MW/m^2，未改性的 CFC 结合物约为 11MW/m^2。当表面温度分别升至约600℃和800℃以上时，暴露于热负荷的分流器组件的改性CFC材料的表面附近的硼或硅的浓度趋于降低。然而，这仅在最表面层中，并且没有观察到整个接合体的导热性能的劣化。此外，利用现有的传热系数相关公式进行有限元分析。发现Araki（JAERI）等人提出的单面加热条件下的相关方程适合测试接头的传热系数。