AbstractThe dielectric window of a 35–60 MHz ion cyclotron resonance frequency (ICRF) transmission line is designed for reactor conditions in due consideration of irradiation, dielectric heating, fabrication issues, and remote handling. Electric field, temperature distribution, and thermal stresses are evaluated for beryllia and alumina dielectrics using finite element codes. The analysis is made for two annular ceramic septa joining coaxial water-cooled conductors having maximum operating 50 kV peak rf voltage and 30 Ω characteristic impedance. For unfavourable irradiation conditions (>1023 n/m2 neutron fluence), alumina is found to be heated excessively to about 1000 °C with unacceptable stresses. For moderately irradiated beryllia (<1022 n/m2) or for unirradiated alumina of specific grades (tan δ comparable or less than 5×10−4), the temperature and the thermal stresses are found to stay acceptable provided niobium or titanium is used as a conductor. Beryllia (BeO) is chosen as a candidate for the window ceramic because of its better thermal conductivity and smaller thermal expansion mismatch with the conductor material helping also the manufacturing process. The characteristics for the ceramic/metal joints are estimated for candidate conductor and ceramic (alumina) materials. Vacuum brazing using active filler materials provides sufficiently good conditions for heat conduction across the joint, and the joints appear to be tight enough. Suitable window location on the transmission line is investigated by calculating neutron fluences at the window using an experimental reactor like configuration with 2500 h total burn time (1500 MW).
ICRF伝送線路の誘電体窓は、照射、誘電加熱、製造上の問題、および遠隔操作を十分に考慮した上で、炉条件に合わせて設計される。電界分布、温度分布、および熱応力は、有限要素コードを用いてベリリアおよびアルミナ誘電体について評価される。解析は、最大動作電圧50kVピーク、特性インピーダンス30Ωの同軸水冷導体を接続する2つの環状セラミック隔壁について行われる。不利な照射条件（>10²³ n/m²中性子フルエンス）では、アルミナは約1000°Cまで過度に加熱され、許容できない応力が生じることが判明した。中程度に照射されたベリリア（<10²² n/m²）または特定グレードの未照射アルミナ（tanδが5×10⁻⁴以下）では、ニオブまたはチタンを導体として使用すれば、温度および熱応力は許容範囲内に留まることが判明した。ベリリア（BeO）は、熱伝導率が優れ、導体材料との熱膨張ミスマッチが小さく、製造プロセスにも有利であるため、窓セラミックの候補材料として選定される。セラミック/金属接合部の特性は、候補導体材料およびセラミック材料（アルミナ）について評価される。活性ろう材を用いた真空ろう付けにより、接合部全体にわたって十分な熱伝導が確保され、接合部は十分な気密性を有することが示された。伝送線路上の適切な窓位置は、実験炉構成を用いた総燃焼時間2500時間（1500MW）における窓位置での中性子フルエンスを計算することにより調査される。