Результаты исследований и их значениеПрофессор Масаюки Токитани и его исследовательская группа в Национальном институте термоядерных исследований разработали новую технику прямого прочного соединения вольфрамовых и медных сплавов, сделав связующий слой подушкой даже без использования промежуточного материала. Используя эту технику соединения, им удалось изготовить небольшой макет дивертора с отличной способностью отвода тепла даже при соответствующих условиях реактора (~ 15 МВт / м2).
Компоненты дивертора должны выдерживать экстремально высокий тепловой поток. Кроме того, во время фазы термообработки для пайки, поскольку весь компонент нагревается примерно до 900 градусов C, он затем охлаждается до комнатной температуры. Таким образом, термическое напряжение возникает на стыке материала брони и теплоотвода.
Такое тепловое напряжение следует максимально снизить. На этот раз, чтобы одновременно удовлетворить эти требования, исследовательская группа использовала присадочный материал BNi-6 (Ni-11% P) и медный сплав, упрочненный оксидной дисперсией (ODS-Cu), GlidCop® (Cu-0,3 мас.% Al2O3. ) и выполнены условия оптимального склеивания.
В частности, группа профессора Токитани установила толщину припоя на уровне 38 мкм, а температуру и продолжительность термообработки на 960 градусов Цельсия и 10 минут соответственно для того времени, когда проводится пайка. Затем при охлаждении с 960 до 100 градусов Цельсия использовали чрезвычайно медленное естественное охлаждение. При охлаждении от 100 градусов С до комнатной температуры использовали охлаждение газообразным азотом.
После пайки было проведено испытание на трехточечный изгиб для оценки прочности соединения. Удивительно, но связующий слой обладает пластичностью. Предел текучести достигал около 200 МПа. Поскольку предел текучести как вольфрама, так и GlidCop® превышает 300 МПа даже после термообработки твердым припоем, область деформации должна быть сосредоточена на самом слое припоя.
Когда деформация составляет 0,2%, на первый взгляд, это не может считаться особенно значительной пластической деформацией. Однако, поскольку фактическая пластическая деформируемая область очень тонкая, например несколько десятков микрометров, абсолютная локальная деформация должна быть значительно больше 0,2%. Это удивительный результат.Это означает, что связующий слой приобретает ударную вязкость и что индуцированное термическое напряжение во время термообработки твердым припоем может поглощаться слоем твердого припоя.
Кроме того, такая способность к релаксации приложенного напряжения имеет большое преимущество с точки зрения надежности компонентов дивертора, даже когда они принимают неожиданное тепловое напряжение во время работы реактора. Между прочим, пунктирная линия зеленого цвета является примером неудачной пайки, в которой используются различные медные сплавы и припои. В случае неудачной пайки связующий слой был сломан с хрупкостью при 1/4 напряжения по сравнению с усовершенствованной техникой соединения, описанной в этом исследовании. Кроме того, мелкомасштабный макет дивертора W / BNi-6 / GlidCop® был успешно изготовлен с помощью передовой технологии пайки.
Испытание на тепловую нагрузку в реакторе, соответствующем условиям макета, проводилось с использованием электронно-лучевого устройства ACT2 в NIFS. Температура 650 градусов С была значительно ниже температуры плавления БНи-6 (875 градусов С) и температуры рекристаллизации вольфрама (~ 1500 градусов С). Причина, по которой была получена такая превосходная способность отвода тепла, заключается в том, что, поскольку было принято прямое соединение без какого-либо промежуточного материала, можно было поддерживать минимальное сопротивление теплопередаче от брони к радиатору.
Усовершенствованная технология пайки, описанная в этом исследовании, будет способствовать не только созданию улучшенного дивертора, но также значительно снизит стоимость строительства всей конструкции дивертора в будущем термоядерном реакторе. В дальнейшей работе, используя этот метод, мы создадим крупномасштабный компонент дивертора, структура которого будет аналогична дивертору, который будет использоваться в термоядерном реакторе.
Мы будем стремиться к такому дизайну и конструкции дивертора, которые сделают возможной работу на больших расстояниях и безопасное использование.Этот результат исследования был представлен на 26-й конференции МАГАТЭ по термоядерной энергии, проходившей в Киото, Япония, 17-22 октября 2016 г.