ITER 核聚变项目 / 金属技研株式会社

金属技研株式会社

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ITER 核聚变项目

ITER整体情况(ITER机构提供)

【座谈会成员】
 ■福田诚 国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构 量子能源部 那珂研究所ITER项目部 等离子体对置设备开发组主任研究员工学博士
 ■饭仓武志 株式会社A.L.M.T 热管理事业部技术部 加工技术组 主事
 ■新井真人 三芳合金工业株式会社 制品开发课 系长
 ■大森千里 金属技研株式会社 工程事业本部 工程部 核融合设备课/茨城工场 技术课 技术二系 主任(2022年3月1日始)

主持人 谢谢各位参加。今天是一个难得的机会,让参与制作ITER计划核心部件-分流器的人士汇集一堂。希望可以了解到日本行业的最新动向。首先,我们有请ITER国内机构的量子科学技术研究开发机构(QST)量子能源部那珂研究所ITER项目部等离子对置设备开发组的福田诚主任研究员为我们做一个关于ITER的概述。

日本核聚变持续运行的主要技术

福田诚
国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构 量子能源部 那珂研究所 ITER项目部 等离子对置设备开发组 主任研究员 工学博士

福田先生 请多关照。ITER计划的目的是为了证明核聚变发电在科学和技术上的可行性。这是一个由全世界7方、35个国家参与的超大型研究项目,目前正在法国建设中,截至2021年5月项目已开展73.7%以上。建筑已基本完工,预计2025年开始首次实验。之后,逐步推进反应堆内部设备的安装,计划在2035年使用氘和三氘作为燃料开始运行。除了我们负责的分流器外,日本还担当超导线圈,远程维护设备和高频加热设备等主要设备。
关于核聚变的环境,近年各国都在积极推动核聚变研究,美国和中国已经制定计划,以远超日本的速度建造原型反应堆和商业反应堆。在这种情况下,我们认为重要的是在ITER用分流器方面切实建立制造技术的同时,按照日程表稳步推进制造。我们正在采购原材料,制作模型机。在使用模型机对技术进行验证和实证后,我们预定从今年末开始制造实体机。在生产数量方面,除了炉内安装的54盒外,还包括备件4盒共制造58盒。按照目前的计划,我们将在2024年至2028年陆续将分流器搬入ITER。
对于承受高热负荷的分流器来说,最重要的功能是去热功能。在分流器的受热面一侧设置了等离子体对置单元。等离子体对置单元采用金属中熔点最高、导热系数最大的钨,以保证表面不熔化。另外,为了更好地冷却分流器,不仅靠高热传导率,能够切实导热并且散热的接合技术也很重要。今天汇集一堂的3家公司,拥有制作转换器的等离子体对向单元所不可缺少的重要技术,正在积极发挥作用。

接合技术可以应用

主持人 谢谢。请告诉我们担当钼单块的A.L.M.T,担当铜合金管的三芳合金工业,担当接合的金属技研公司参与ITER计划的契机。
饭仓武志 株式会社A.L.M.T 热磁事业部技术部 技工技术组 主事

饭仓 ITER计划是个很大的梦想,前所未有的国际项目。从最初开始,各位前辈用自己的技术为此贡献的热情和愿望是参与该项目很大的契机。我自己是在2013年成为钼板的技术担当,开始学习ITER。越了解越希望自己的产品能够得以使用,并做出贡献。2018年拜访了ITER机构,参观了建设中的建筑时这种心情更加强烈,同时也意识到自己的产品不允许失败,必须作成稳定高品质的产品。 新井真人 三芳合金工业株式会社 制品开发课 系长

新井 据说当时采购分流器所用管材时,首先是向大厂询问的,通过其介绍联系到了本公司。2007年开始我们公司一直在持续开发,制造管材。我在2009年入社,调到现在的部门时,正赶上制造工序全盘调整的时候。那项工作基本都在本部门进行,希望一直能看到该巨大项目完工之时。
大森千里 金属技研株式会社 工程事业本部 工程部 核融合设备课/ 茨城工场 技术课 技术二系 主任(2022年3月1日起)

大森 本公司原本和QST就有着长期业务往来。关于分流器的热负荷部分,从讨论石墨单块开始我从前任那里接管了该工作。这次关于钼项目,虽然材质,物理性能不同,但是内容和形状基本一致,由于接合技术能够同样应用,因此我们继续参加。

3家公司生产体制强化

主持人 听说分流器将从2024年进入ITER,现在进展如何?

福田 分流器的模型机现在正在制造中。实体机所需的材料也在生产中,预计最终钨单块制造20万个,铜合金管预定从今年开始制作1800根。分流器实体机的材料生产即将开始。
饭仓 从2021年1月开始与QST签约进行钨单块实体机的生产,现在制造中。但是发现用于大量生产的生产线能力不足。因此约2年前开始探讨构建新产线。预计在10月份新线建成,从而真正开始进入量产阶段。

新井 我们在2022年1月签约。需要生产1800根数量非常大,为此扩充了生产班次。

大森 当前刚好关于前日制作的钨单块的话题正在进行中。对于之前的钎焊制品,我们正在尝试使用不同的炉子来观察颜色,接合界面的状态变化。大量单块制作时,受治具以及炉子的细微之处制约,制作数量有限,考虑进行改良。
用于分流器的钼单块(中央部是为了钎焊的铜制缓冲材)

3家公司的优秀技术能力

主持人 分流器是实现核聚变炉这一梦想所需要的技术,其着眼点,关注点在哪里?

福田 分流器的等离子体对向单元是使水通过与钨单块内部接合的铜合金冷却管,进行强制冷却的结构。因此为了不发生漏水等问题,铜合金管自身的可靠性很重要。
另外,由于ITER运行中热负荷不是恒定的,温度大幅度高低变动,钼及铜合金管需要即使反复接受热负荷,也不会发生损伤,裂纹,保持安全性。因此材料的特性非常重要。此外,如果反复施加热负荷,钨和铜合金管之间的连接界面可能会剥落。金属技研拥有优秀的接合技术。另外不仅限分流器,ITER的设备均对精度有非常严格要求。
例如分流器的钨单块最苛刻部分要求加工精度在±25μm,对铜合金管也有非常严格要求。A.L.M.T以及三芳合金工业都拥有满足严格精度要求的优秀技术水平。另外关于接合,需要将钼单块以一定间距排列和铜合金管接合。间距为0.4mm,对尺寸管理严格要求。金属技研能够实现满足要求的接合,我想这也是该公司拥有很强技术实力的证明。
分流器结构(1/15实体机长度型号)

通用于世界的3家公司

主持人 这个分流器在国际上竞争力如何?

福田 关于铜合金管,大和合金(三芳合金工业的集团公司)面向欧洲也在生产,有着很高的竞争力。关于钨,我们对于包括海外生产的多家厂商进行了特性评价,其中发现反复施加热负荷时有钨发生开裂的情况。能够制造出不发生损伤的钨生产厂家目前只有A.L.M.T。分流器除了日本担当的外侧垂直靶以外,还有内侧垂直靶及圆顶等设备构成,这部分由EU及欧洲等他方推进中。他方采购的分流器也进入了实体机制作阶段,希望能积极扩大担当领域。

主持人 只有A.L.M.T能做到不开裂,太厉害了。

饭仓 我们以ITER需要的即使施加高热负荷,也不会发生损伤开裂的单块生产为目标展开研发。从10年前开始已向QST交货了单块,在实际面向ITER进行热负荷试验时,我们得到了只有本公司的产品没有开裂,表面不粗糙的评价。说实话,当时原因并不明了,进行了很多调查。这也是从钨粉开始到最终成品全工序掌控的本公司的强项。最终能够确定了即使施加热负荷,表面上基本不粗糙的单块制造工艺。关于ITER项目在长期以来的经验积累,先辈们的努力下有了这样的结果。能够生产出不开裂的单块是我们的优势。

支持人 三芳合金工业的加工・销售合作方大和合金也在向欧洲的ITER方面供货。

新井 在共同合作中,大和合金在QST的海外发表时介绍了与本公司的协作研究,因此接到了各国制作分流器的研究机构的垂询,也向在各国制作分流器的大多数公司提供着管材。另外我们也提供第一壁(等离子体面对的壁)使用的板材。我司虽然只是很小的中小企业,也在为世界做出贡献。
分流器使用的冷却管,综合了A.L.M.T和金属技研的技术实施接合,接合时由于升温管的结晶粒变得粗大化,承受热负荷后有发生开裂的现象。我在入社分配在现在的部门后,一边改善制作工序,一边对各工序的试验片的结晶粒进行确认,从中找到最适条件,制作出了不发生结晶粒粗大化的现行产品。根据企业接合条件略有不同,听说海外比日本的接合温度更高。在当前技术基础上,需要考虑如何去对应更高温的接合条件。我想在持续生产中不断探索最适合温度,一定会解决该课题。

充分利用关于接合的数据库

主持人 请问担当材料接合的金属技研的技术要点是什么。

大森 本公司代表性的接合技术,是在高温高压条件下通过使接合界面的原子扩散实现接合的HIP(热等静压)。本次使用的是钎焊,利用比材料熔点低的钎焊材料进行接合的技术。我们根据材料的状态,形状,客户的情况等来确认,选择最优的接合方案。本次制作内容是将外侧的钨块,中间的缓冲材,内侧鉻锆铜管道进行钎焊。难点在于铜的热膨胀系数大,而钨则反之小。实际生产时根据温度分布可能发生过度膨胀,或者不膨胀,根据钎焊炉内的温度分布接合状况会发生改变,因此相关管理非常重要。本公司的优势是拥有迄今以来接合案例的数据库,从中可以查询近似条件,确定最优接合方案。对于间距0.4mm的管理,实际上钎焊达到1000度附近时,组合状态下0.4mm的间距会拉长,根据收缩状态制品的间距会发生变化。需要对接合界面的状况,热应力进行管理,对于间距等很多要点需要考虑,在丰富的实际经验基础上,必要时利用热模拟进行事先接合确认可以降低失败率。即使失败需要查明原因时,我们可以根据经验快速找到原因。

做出更好的日本制产品

主持人 核聚变是最先端技术,也被认为是解决各种课题的关键。各位对ITER印象如何。

福田 我从学生时代就开始从事核聚变方面的研究,当时被称为梦之能源,其中一度由于延期,曾感觉到距离实现遥遥无期。但是现在ITER建设在切实推进,实现核聚变能源已经近在眼前,感到当前的工作非常有意义。另外分流器是在非常恶劣的条件下使用,能够从事对需要暴露在这样恶劣条件下的设备,材料进行研究是件很有魅力的事情。

饭仓 虽然其他工作也需要面向课题,但是ITER是也能解决环境问题以及能源问题的大型项目,该技术的实现也近在咫尺,作为参与的技术人员感到非常幸运。分流器的全钨化是QST及国内前辈们的研究成果,感受着前辈们的期望,希望能够为做出更好的日本制产品有所贡献。

新井 这样的大型项目曾经计划推迟,我曾以为退休前无法实现,但是现在已经有了实际的进度表。最终能够亲自看到它的进展感到非常有意义。待到年长时,希望能够自豪的说【这个项目是我的公司负责的,是我担当的】。

大森 设想努力作成的产品安装到了超传导核聚变实验装置【JT-SA】,或者组装到ITER上会感慨万千。自己本来是主修生物学,对核聚变是从一无所知开始,但是发现这是个满足知识好奇心的领域,感到很有意义。

福田 分流器即将进入实体机制作阶段。会面对和模型机制作阶段不同的难题,例如需要解决材料和设备的量产,品质管理等课题,今后还需要在各位协助下切实推进。另外ITER在下一阶段要求实证利用核聚变能源能够发电,到那时也需要在ITER积累了很多经验的各公司的大力协助。今后也请多多关照。

主持人 非常感谢今天各位宝贵而且充满梦想的讲话。

采访人・取材 株式会社日刊工业新闻社 新闻

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