AbstractThe thermodynamic stability of SiC/SiC composite structures proposed for fusion applications is presented in this paper. Minimization of the free energy for reacting species in the temperature range 773–1273 K is achieved by utilizing the NASA-Lewis Chemical Equilibrium Thermodynamics Code (CET). The chemical stability of the matrix (SiC), as well as several fiber coatings (BN and graphite) are studied. Helium coolant is assumed to contain O2 and water moisture impurities in the range 100–1000 ppm. The work is applied to recent Magnetic and Inertial Confinement Conceptual designs. The present study indicates that the upper useful temperature limit for SiC/SiC composites, from the standpoint of high-temperature corrosion, will be in the neighborhood of 1273 K. Up to this temperature, corrosion of SiC is shown to be negligible. The main mechanism of weight loss will be by evaporation to the plasma side. The presence of a protective SiO2 condensed phase is discussed, and is shown to result in further reduction of high-temperature corrosion. The thermodynamic stability of C and BN is shown to be very poor under typical fusion reactor conditions. Further development of chemically stable interface materials is required.
本論文では、核融合応用のために提案されたSiC/SiC複合材料構造の熱力学的安定性について提示する。温度範囲773〜1273 Kにおける反応種の自由エネルギー最小化は、NASA-Lewis化学平衡熱力学コード（CET）を用いて達成される。マトリックス（SiC）の化学的安定性に加え、数種の繊維コーティング（BNおよびグラファイト）についても研究される。ヘリウム冷却材には、100〜1000 ppmの範囲で酸素および水蒸気不純物が含まれると仮定される。この研究は、最近の磁気閉じ込めおよび慣性閉じ込め核融合概念設計に適用される。本研究は、高温腐食の観点から、SiC/SiC複合材料の使用上限温度が1273 K付近であることを示している。この温度まで、SiCの腐食は無視できる程度であることが示される。重量減少の主なメカニズムは、プラズマ側への蒸発によるものである。保護的なSiO2凝縮相の存在について考察され、これにより高温腐食がさらに低減されることが示される。CおよびBNの熱力学的安定性は、典型的な核融合炉条件下では非常に低いことが示される。化学的に安定な界面材料のさらなる開発が必要である。