高熱流プラズマ対向壁研究

　ヘリカル型核融合炉は定常炉として成立するための高い優位性を持っています。超高温プラズマは定常的に存在する閉じ込め磁場により第一壁に直接接触することはありませんが、一部のプラズマはヘリカルコイルと同じピッチでらせん状に回転するヘリカルダイバータに導かれます。ヘリカルダイバータには、不純物を排気するためのダイバータ排気装置としての役割と、超高熱流束・粒子束を受け止めるダイバータ受熱機器としての役割があります。高熱流プラズマ対向壁研究では、主に後者の役割を担う「ダイバータ受熱機器」について、タングステン(W)をアーマー材料に、酸化物分散強化銅(ODS-Cu)をヒートシンクとしたW/ODS-Cu製ダイバータ受熱機器の開発を行っています。これまでに、両材料を強靭に接合するための「先進的ろう付接合法」を開発し、図１の左図に示すW/ODS-Cu製大型ダイバータ受熱機器試験体の製造に成功しています。また、先進的ろう付接合法の高度化が進展し、ODS-Cu同士(ODS-Cu/ODS-Cu)、あるいは、ステンレス鋼(SUS)とODS-Cu(SUS/ODS-Cu)において、流体漏れの無い完全リークタイトな接合接手の生成を可能とする技術開発にも成功しました。この技術は、１つのダイバータ受熱機器製造時に、ろう付接合熱処理を複数回繰り返すことができる特長を有しています。この特長を生かして「先進多段階ろう付接合法(AMSB)」を新たに開発しました。図１の右図はAMSBによるダイバータ受熱機器の製造例を示しています。AMSBを利用すれば、これまで困難であった矩形の冷却流路や湾曲した冷却流路をODS-Cu製ヒートシンクに導入することが可能となります。
　高除熱性能のダイバータ受熱機器の設計には、有限要素法を用いた熱解析を取り入れていますが、AMSBで製造したダイバータ受熱機器試験体がどの程度の除熱性能を有しているのかを実際に確認することも必要です。そのための熱負荷試験には、核融合工学研究プロジェクトが有している超高熱負荷試験装置(ACT2)が使用されています。ACT2の写真を図２に示します。現在は、冷却流路など受熱機器構造の最適化設計と熱負荷試験を繰り返すことで、AMSBを用いたダイバータ受熱機器開発を進めていますが、ダイバータ受熱機器を核融合炉で長期にわたって使用するにおいては、既存のWやODS-Cuでは素材として不十分な可能性もあります。そのための新材料開発も並行して行われています。将来的には最適化された受熱機器構造に対して新材料を適用することで、世界最高性能のダイバータ受熱機器開発を目指しています。

図2:超高熱負荷試験装置(ACT2)の外観写真。上部の電子銃からの大出力電子ビームを下部のチャンバー内に設置したダイバータ試験体に照射して核融合炉の実規模の熱負荷を与えます。