Copper-based alloys, including precipitation hardened copper alloys and oxide dispersion strengthened (ODS) copper alloys, are considered highly promising heat sink materials for fusion divertor due to their excellent thermal conductivity and high strength. In this work, components consisting of five tungsten monoblocks and utilizing ODS copper alloy Cu-Al2O3 (GlidCop Al-15) were successfully manufactured via the hot isostatic pressing (HIP) technique. Plastic deformation with an average twisting degree of 22° and circular indentations with an average depth of 88.33 μm were observed at the toroidal gap of the W/Cu/GlidCop Al-15 mock-up, compared to a twisting degree of 0° and a depth of 35.55 μm in a similarly manufactured W/Cu/CuCrZr mock-up. High heat flux (HHF) thermal fatigue tests at 15 MW m−2 were conducted to evaluate the durability of the components. Unexpectedly, premature leakage failure occurs at the same toroidal gap. The relatively lower hardness of GlidCop Al-15 (14.90 ± 1.76 HV at 680 °C) at high temperatures compared with CuCrZr (45.34 ± 1.77 HV at 680 °C) has been identified as the primary factor leading to easy circular indentation at the toroidal gap during the HIP fabrication process, thereby increasing the likelihood of crack initiation under cyclic HHF loading conditions. This paper presents a new perspective on the application and performance enhancement of ODS copper alloy Cu-Al2O3 in the manufacturing of divertor components.
析出硬化型銅合金および酸化物分散強化(ODS)銅合金を含む銅基合金は、優れた熱伝導性と高い強度を有するため、核融合ダイバータ用のヒートシンク材料として極めて有望であると考えられている。本研究では、5つのタングステンモノブロックからなり、ODS銅合金Cu-Al2O3(GlidCop Al-15)を用いたコンポーネントを、熱間等方圧加圧(HIP)技術によって首尾よく製造した。W/Cu/GlidCop Al-15モックアップのトロイダルギャップでは、平均ねじれ角度22°の塑性変形と平均深さ88.33 μmの円形圧痕が観察された。一方、同様に製造されたW/Cu/CuCrZrモックアップでは、ねじれ角度0°、深さ35.55 μmであった。コンポーネントの耐久性を評価するため、15 MW m−2での高熱流束(HHF)熱疲労試験を実施した。予想に反して、同じトロイダルギャップで早期漏洩破壊が発生した。GlidCop Al-15の高温での硬度がCuCrZr(680 °Cで45.34 ± 1.77 HV)と比較して比較的低いこと(680 °Cで14.90 ± 1.76 HV)が、HIP製造プロセス中にトロイダルギャップで円形圧痕が生じやすくなる主な要因であると特定され、それによって周期的HHF負荷条件下でのき裂発生の可能性が高まることが示された。本論文は、ダイバータコンポーネント製造におけるODS銅合金Cu-Al2O3の応用と性能向上に関する新たな視点を提示する。