Copper alloy has been considered as a divertor cooling tube or heat sink not only in the helical reactor FFHR-d1 but also in the tokamak DEMO reactor, because it has a high thermal conductivity. This work focused on applying an oxide dispersion strengthened copper alloy (ODS-Cu), GlidCop® (Cu-0.3 wt%Al2O3) as the divertor heat sink material of FFHR-d1. This alloy has superior high temperature yield strength exceeding 300 MPa at room temperature even after annealing up to ~1000 °C. The change in material properties of Pure-Cu, GlidCop® and CuCrZr by neutron irradiation are summarized in this paper. A primary dose limit is the radiation-induced hardening/softening (~0.2 dpa/1–2 dpa) which has a temperature dependence. According to such an evaluation, the GlidCop® can be selected as the current best candidate material in the commercial base of the divertor heat sink, and its temperature should be maintained as close as possible to 300 °C during operation. Bonding between the W armour and the GlidCop® heat sink was successfully performed by using an improved brazing technique with BNi-6 (Ni-11%P) filler material. The bonding strength was measured by a three-point bending test and reached up to approximately 200 MPa. Surprisingly, several specimens showed an obvious yield point. This means that the BNi-6 brazing (bonding) layer caused relaxation of the applied stress. The small-scale divertor mock-up of the W/BNi-6/GlidCop® was successfully fabricated by using the improved brazing technique. The heat loading test was carried out by the electron beam device ACT2 in NIFS. The mock-up showed an excellent heat removal capability for use in the FFHR-d1 divertor.
銅合金は、ヘリカル炉FFHR-d1だけでなくトカマク型DEMO炉においても、高い熱伝導率を有するため、ダイバータ冷却管またはヒートシンクとして検討されてきた。本研究は、酸化物分散強化銅合金(ODS-Cu)であるGlidCop®(Cu-0.3 wt%Al2O3)をFFHR-d1のダイバータヒートシンク材料として適用することに焦点を当てた。この合金は、~1000 °Cまでの焼鈍後においても、室温で300 MPaを超える優れた高温降伏強度を有する。中性子照射によるPure-Cu、GlidCop®およびCuCrZrの材料特性の変化を本論文にまとめた。主要な線量限界は、温度依存性を有する放射線誘起硬化/軟化(~0.2 dpa/1–2 dpa)である。このような評価に基づき、GlidCop®はダイバータヒートシンクの商業ベースにおける現時点での最有力候補材料として選択でき、その温度は運転中に可能な限り300 °Cに近く維持されるべきである。WアーマーとGlidCop®ヒートシンク間の接合は、BNi-6(Ni-11%P)フィラー材を用いた改良ろう付け技術により成功裏に実施された。接合強度は三点曲げ試験により測定され、約200 MPaに達した。驚くべきことに、いくつかの試験片は明瞭な降伏点を示した。これは、BNi-6ろう付け(接合)層が印加応力の緩和を引き起こしたことを意味する。W/BNi-6/GlidCop®の小型ダイバータモックアップは、改良ろう付け技術を用いて成功裏に製作された。熱負荷試験は、NIFSの電子ビーム装置ACT2により実施された。モックアップは、FFHR-d1ダイバータへの使用に対して優れた除熱能力を示した。