Tungsten has established itself as the most suitable plasma-facing material for long-term operation in future magnetic-confinement fusion devices, but its properties make it a poor structural material and complicate the manufacturing of complex components. Recent advances in additive-manufacturing (AM) technology have begun to make the production of tungsten components with complex geometry more feasible. The design freedom afforded by AM could be leveraged to produce more resilient plasma-facing components (PFCs). A methodology to optimize the material distribution of composite PFCs was developed to reduce the maximum thermal stress caused by high heat fluxes. Its use was demonstrated for copper-infiltrated AM tungsten (WAM/Cu) structures. Stress reductions of 50%–85% are predicted under nominal load conditions. Optimized designs also reduce stress over a wide range of off-nominal conditions. The resulting optimized structures are composed of a spatially heterogeneous distribution of W and Cu comprising a broad range of composite mixtures. A sample manufacturable component was modelled based on optimization results.Highlights• A methodology to optimize the material distribution of composite PFCs was developed to reduce the maximum thermal stress caused by high heat fluxes.• Stress reductions of up to 85% compared to a monolithic W block may be feasible with topology optimization techniques.• Optimized component designs are effective at reducing stress even over a wide range of off-nominal conditions.• Manufacturable components can be designed based on optimization results.
タングステンは、将来の磁気閉じ込め核融合装置における長期運転に最も適したプラズマ対向材料として確立されているが、その特性により構造材料としては不適切であり、複雑な部品の製造を困難にしている。最近の積層造形(AM)技術の進歩により、複雑な形状のタングステン部品の製造がより実現可能になり始めている。AMによってもたらされる設計の自由度は、より弾力性のあるプラズマ対向部品(PFC)を製造するために活用できる可能性がある。高熱流束によって引き起こされる最大熱応力を低減するために、複合PFCの材料分布を最適化する方法論が開発された。その使用は、銅を含浸させたAMタングステン(WAM/Cu)構造に対して実証された。公称負荷条件下では、50%–85%の応力低減が予測される。最適化された設計は、広範囲の非公称条件下でも応力を低減する。結果として得られる最適化構造は、広範囲の複合混合物からなるWとCuの空間的に不均一な分布で構成されている。最適化結果に基づいて、製造可能なサンプル部品がモデル化された。 ハイライト • 高熱流束によって引き起こされる最大熱応力を低減するために、複合PFCの材料分布を最適化する方法論が開発された。 • トポロジー最適化技術により、モノリシックWブロックと比較して最大85%の応力低減が実現可能かもしれない。 • 最適化された部品設計は、広範囲の非公称条件下でも応力低減に効果的である。 • 最適化結果に基づいて、製造可能な部品を設計することができる。