炭化珪素系複合材料を用いたブランケットシステムにおける低放射化気密シール開発

使用碳化硅复合材料开发毯子系统中的低活化气密密封

• 批准号: 14658136
• 负责人: 長谷川 晃
• 金额: $ 1.86万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-14658136/
• 关键词: 核融合炉用低放射化材料; 気密性; 被覆接合; 炭化珪素; 核融合炉; 固相拡散接合; 金属被覆膜

低放射化核融合炉構造材料の候補の一つであるSiC繊維強化SiC基複合材料は、高温強度に優れることから、高効率ブランケット用材料として検討されている。その使用環境として高温(出口温度900℃)高圧(最高10MPa)のヘリウムガスを冷却材として使用することが想定されている。そのため金属並みの気密性を保つことが要求されている。そこでSiCの表面にヘリウムに対して気密性の高い金属を被覆することで気密性を高める方策が検討されている。また、ブランケットを冷却するヘリウム中には燃料となるトリチウムが含まれており、被覆材としてトリチウムを透過しない素材を用いることで、トリチウムの配管からの透過を抑制することも可能となる。タングステンは水素の透過率が金属の中でも最も低い部類に入る。またタングステンとSiCは熱膨張率の違いがほとんど無く、加熱サイクルによって生ずる熱応力も小さくなるというメリットがある。そこで、タングステンをトリチウムとヘリウムの透過バリアーとして使うことを考えた。一方タングステンは1400℃以上では再結晶をおこし、結晶粒界脆化が顕著になる。そのため1400℃以下でタングステンとSiCが強固に接合することが必要となる。我々のこれまでの研究ではタングステンとSiCの直接接合は、1400℃以下では起こらないことが分かっている。そこで、活性な挿入金属をタングステンとSiCの間に挿入し、1400℃以下での温度で接合できるものを探し、気密性シール材の開発を目指した。挿入金属としてチタン、クロム、鉄、ニッケルの20μmの箔を用いて、8mmφx3mmtの円柱状のSiCとタングステンとを、高真空中で1400℃の温度で接合させた。その結果、クロムはこの条件下では接合せずチタン、鉄、ニッケルにおいては接合が得られた。鉄やニッケルではSiCとの界面に金属硅化物が形成され、それが脆いために十分な接合をもたらすことが出来なかった。一方チタンは界面に炭化物を形成するものの、比較的強固な接合を持つことが示され、気密性被覆の下地としてSiC上に被覆し、その後にタングステンを被覆する方策について検討した。

SiC纤维增强SiC基复合材料是低活化聚变反应堆结构材料的候选材料之一，由于其优异的高温强度而被认为是高效包层材料。假设使用环境为高温（出口温度900℃）、高压（最大10MPa）氦气作为冷却剂。因此，要求保持与金属相当的气密性。因此，正在考虑通过在SiC表面涂覆对氦气具有高气密性的金属来提高气密性。另外，冷却覆盖层的氦气含有作为燃料的氚，并且通过使用不渗透氚的材料作为覆盖材料，可以抑制氚渗透通过管道。钨是金属中氢渗透率最低的金属之一。此外，钨和SiC的优点是热膨胀系数几乎没有差异，并且也减少了由加热循环引起的热应力。因此，我们考虑使用钨作为氚和氦的渗透屏障。另一方面，钨在1400℃以上的温度下会再结晶，晶界脆化变得明显。因此，需要在1400℃以下的温度下使钨和SiC牢固结合。我们之前的研究表明，在低于 1400°C 的温度下，钨和 SiC 之间不会发生直接键合。因此，我们的目标是通过在钨和SiC之间插入活性插层金属来开发气密密封材料，并寻找可以在低于1400°C的温度下粘合的材料。使用 20 μm 钛、铬、铁和镍箔作为嵌入金属，在高真空中在 1400°C 的温度下将 8 mmφ x 3 mmt 圆柱形 SiC 和钨粘合在一起。结果，在这些条件下铬没有结合，但钛、铁和镍结合。对于铁和镍，在与SiC的界面处形成金属硅化物，并且由于它是脆性的，所以不能实现充分的接合。另一方面，虽然钛在界面处形成碳化物，但它已被证明具有相对较强的结合力，因此我们研究了一种将其涂覆在SiC上作为气密涂层的基础，然后用钨涂覆的方法。