KR101308327B1 - 구리 합금으로 된 히트 싱크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵융합로의 제1벽 부품에 대한 것으로서, 흑연 재료, 카바이드 재료(carbidic material), 텅스텐 및 텅스텐 합금을 포함하는 그룹에서 선택된 재료로 된 적어도 하나의 열 차폐막과, 구리 합금으로 된 히트 싱크를 포함하며, 히트 싱크는 스프레이-콤팩티이드 구리 합금(spray-compacted copper alloy)을 포함한다.

핵융합로, 히트 싱크, 구리, 텅스텐, 플라즈마

Description

구리 합금으로 된 히트 싱크{HEAT SINK OF A COPPER ALLOY}

본 발명은 핵융합로(fusion reactor)의 제1벽 부품(first-wall component)에 대한 것으로서, 상기 부품은 흑연 재료(graphite material), 카바이드 재료(carbidic material), 텅스텐 및 텅스텐 합금을 구비하는 그룹으로부터 선택된 재료로 된 적어도 하나의 열 차폐막(heat shield)과, 구리 합금으로 된 히트 싱크를 포함한다.

이러한 제1벽 부품의 용도의 전형적인 예는, 10MW/m²을 초과하는 매우 높은 열하중에 노출되는 다이버터(diverter) 및 리미터(limiter)의 제1벽 부품이다. 제1벽 부품은 열 차폐막 및 열 분산부를 포함한다. 열 차폐막의 재료는 플라즈마에 적합해야 하며, 물리적 화학적 스퍼터링에 대한 높은 저항, 높은 용융점/승화점 및 열충격에 대한 가능한 한 높은 저항을 갖추어야 한다. 게다가, 열 차폐막 재료는 우수한 유용성 및 수용 가능한 가격에 더하여 높은 열전도율, 낮은 중성자 방사화(neutron activation) 및 적합한 강도/파괴인성도 구비하여야 한다. 텅스텐 이외에, 흑연 재료 및 카바이드 재료가 이러한 다양하고 어느 정도 상충하는 요구 사항 의 집합에 가장 잘 부합한다. 플라즈마로부터의 에너지 유동은 이들 부품에 장기간에 걸쳐 작용하므로, 이러한 제1벽 부품은 일반적으로 능동 냉각된다. 열 제거는 구리 합금으로 된 히트 싱크에 의하여 보조되며, 히트 싱크는 재료 결합에 의하여 열 차폐막에 일반적으로 연결된다.

열 차폐막과 히트 싱크의 특징인 서로 다른 열팽창으로 인해 발생하는 소성 변형에 의한 응력을 완화하기 위하여, 히트 싱크가 예를 들어 Cu-Cr-Zr인 고강도 구리 합금으로 구성되는 경우, 열 차폐막은 순수 구리 중간층을 통해 히트 싱크에 결합된다. 이 경우에 순수 구리 중간층은 0.5 내지 3mm의 두께를 갖는다.

제1벽 부품은 다양한 형상으로 제조될 수 있다. 차이점은 평탄한 타일(flat tile) 형상, 새들(saddle) 형상 및 모노블록(monobloc) 형상으로부터 도출된다. 평탄한 결합 영역을 구비한 열 차폐막이 내부에 냉각수가 흐르는 히트 싱크에 결합된다면, 이는 평탄한 타일 형상으로 일컬어진다. 새들 형상의 경우에는, 반구형 홈을 구비한 열 차폐막이 튜브형의 히트 싱크에 결합된다. 각각의 경우에 히트 싱크는 열 입력측과 냉각 매체 사이의 열 접촉을 확립하는 기능을 가지며 그로 인해 온도 구배 및 접합된 부재들의 서로 다른 열팽창률로 인한 원통형 열유도 하중(thermally induced loads)에 노출된다. 모노블록 형상의 경우, 제1벽 부재는 동심 통로(concentric passage)를 구비한 열 차폐막을 포함한다. 열 차폐막은 이러한 동심 통로에 의해 냉각 튜브와 연결된다. 열 차폐막과 히트 싱크 이외에, 제1벽 부품은 예를 들어 강 결합 파이프(steel connection pipes)와 같은 추가적인 영역/부품을 포함할 수도 있다.

제1벽 부품은 열유도 기계 응력 뿐만 아니라 부가적으로 발생하는 기계 응력도 견뎌야만 한다. 이러한 부가적인 기계적 응력은, 부품 내부에 흐르며 주변 자기장과 반응하는 전자기 유도 전류(electromagnetically induced current)에 의해 생성될 수 있다. 이는 열 차폐막에 의해 또는 열 차폐막/히트 싱크 접합 구역에 의해 전송되어야 하는 고주파 가속력(high-frequency acceleration forces)의 발생을 수반할 수 있다.

이 경우에, 흑연과 구리 사이의 접합 구역은 이러한 재료 복합체의 약점을 상징한다. 개선된 강도를 구비한 냉각 장치를 접합 구역에 제조하기 위한 방법은 유럽 특허 공보 EP 0 663 670 B1호에 개시되어 있다. 이 경우에, 용융 상태의 구리는 열 차폐막과 접촉하게 되며, 주기계(periodic system)의 IV 및/또는 V 아족(subgroups)의 하나 이상의 금속으로 된 부재는 결합 작업 중에 접합 구역에 제공된다. 고형화(solidification)에 이어서 고형화된 구리층의 작업이 이어지며, 구리층은 예를 들어 열간정수압소결(HIP) 또는 납땜 공정에 의하여 히트 싱크에 결합된다. 빔 용접 방법(beam welding method) 또한 사용될 수 있다.

하지만, 기하학적 조건 및 사용되는 재료의 조합으로 인하여 접합 구역에서의 결함은 상응하는 양의 노력에 의해서만 발견될 수 있다. 제1벽 부품을 위하여, 초음파 검사 방법이 이를 위해 사용된다. 기존의 부품의 경우에는, 이러한 적용에 요구되는 분별 정확도(resolution accuracy)를 갖는 초음파 검사에서 지금까지 사용된 히트 싱크용 재료가 국지적으로 상당히 다른 음파 감쇠(sound attenuation)를 갖는다는 문제점이 발생한다. 이를 위해 사용되는 펄스에코 방법(pulse-echo method)의 경우에는, 결함에서 반사되는 음파 진폭(sound amplitude)은 결함의 크기 측정에 사용된다. 현재 사용되는 재료 및 핵융합에 사용하도록 규정된 치명적 결함 크기의 경우에는, 결함으로부터 발원되는 강도(intensity)와 히트 싱크의 재료에 의해 흡수되는 부재로부터 발원되는 강도를 명확하게 구별할 수 없다. 따라서, 진폭 신호는 접합 구역의 영역 내의 결함 크기의 신뢰 가능한 표시를 제공할 수 없다. 이러한 부품을 위한 원자력 환경의 배경과 비교하여, 이는 특히 균열/분리가 보다 중대한 사고의 유발인자가 될 수 있는 것으로 간주될 수도 있으므로 대응하는 문제점을 야기한다.

따라서, 접합 공정 전에 히트 싱크의 음파 감쇠 특성이 기록되어야만 한다. 접합 공정 이후에는, 결함 신호의 강도가 다시 한번 결정되며 히트 싱크의 음파 감쇠 특성은 이로부터 제외된다. 최종 진폭 수준은 접합 구역의 영역에서의 결함 크기와 관련 있다. 이러한 검사 방법은 노력이 많이 가며 측정 결과의 잘못된 해석을 야기하기 쉽다. 제1벽 부품의 영역에서의 수년간의 열성적인 개발 작업에도 불구하고, 지금까지 이용 가능한 구조적 부재는 비파괴 검사와 관련한 요구 사항의 설정을 최적으로 만족시키지 못한다.

따라서, 본 발명의 목적은 간단한 방식으로 비파괴 검사가 행해질 수 있는 제1벽 부품을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 특허청구범위 제1항의 특징부에 의해 달성된다.

스프레이-콤팩티이드 구리 합금(spray-compacted copper alloys)으로 된 히트 싱크가 사용되는 때에는 상이한 음파 감쇠가 발생하기 않는다. 스프레이 콤팩팅(spray compacting)은 금속 반제품(semifinished metal products)를 제조하는 한 방법이다. 이는 용융물을 고체 상태로 전환하는 것을 수반하며, 이와 동시에 분무화(atomization)의 중간 단계를 통하여 콤팩트 예비성형품(compact preform)을 생성한다. 이러한 예비성형품은 기존의 성형법에 의해 추가로 가공되는 강편(billet)이다. 스프레이 콤팩팅(spray compacting)은 분말야금(powder metallurgy) 및 압출성형(extrusion) 사이에 분류되는 방법이다. 스프레이-콤팩티이드 구리합금(spray-compacted copper alloys)이 사용되는 때에, 재료 내의 국지적 음파 감쇠가 어느 정도 균일하며 음파 감쇠 다이어그램(sound attenuation diagram)을 기록할 필요가 없다는 점이 발견되었다. 이러한 경우에, 구리 합금의 평균 입도가 50 ㎛ 미만인 것이 바람직하다고 입증된다. 게다가, 구리 합금의 좁은 입도 분포 역시 바람직하다. 따라서 d₅₀ 및 d₉₀ 수치는 d₉₀ < 3 × d₅₀의 관계를 만족시킨다. d₉₀은 입자의 90%가 초과되지 않는 입자 직경을 의미하는 것으로 이해된다. 유추에 의해, d₅₀은 입자의 50%가 초과되지 않는 입자 직경을 의미하는 것으로 이해된다. 스프레이-콤팩티이드 구리 합금(spray-compacted copper alloys)이 사용되는 때에도, 상기 스프레이-콤팩티이드 구리 합금이 석출 경화 가능한 것이 바람직하다고 입증되며, 이는 예를 들어 Cu-Cr-Zr 합금의 경우이다(DIN EN 2.1293). 이 경우에 전형적인 크롬 함량은 0.3 내지 1.2 중량%이고 지르코늄 함량은 0.03 내지 0.3 중량%이며, 나머지는 구리 및 전형적인 불순물로 구성된다.

전술한 바와 같이, 스프레이-콤팩티이드 빌렛(spray-compacted billets)은 압출성형 또는 압연과 같은 종래의 성형 방법에 의해 추가로 가공된다. 초음파 영상의 적합한 균질성(homogeneity)을 달성하기 위해서는, 변형 정도가 70% 이상인 것이 또한 바람직하다. 본 발명에 따른 히트 싱크에 의하여, 모노블록 버전의 제1벽 부품과 평탄한 타일 버전의 제1벽 부품 모두가 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 히트 싱크가 입자의 미세함 및 선택된 합금 원소로 인하여 고강도를 가지므로, 순수 구리로 된 중간층이 히트 싱크와 열 차폐막 사이에 배치되어 소성 변형으로 인한 응력을 완화하는 역할을 한다.

접합 구역의 영역에서의 보다 간단하고 신뢰성 있는 비파괴 검사의 장점 이외에, 스프레이-콤팩티이드 구리 합금(spray-compacted copper alloys) 역시 매우 안정된 미세구조를 갖는다. 예를 들어, 스프레이-콤팩티이드(spray-compacted) Cu-Cr-Zr 합금은 용체화 풀림 온도(solution annealing temperature)에 대략적으로 대응하는 온도에서만 재결정한다. 이러한 미세구조 안정성은, 열 차폐막과 히트 싱크 사이의 재료 결합을 위해 요구되는 온도가 일반적으로 700℃ 내지 1000℃ 사이에 위치한다는 것만큼 특별한 중요성을 갖는다. 용융 야금학적으로 제조되는 히트 싱크의 경우에는 이것이 재결정화 및 입자 조대화(grain coarsening)를 야기하는 반면에, 박벽(thin-walled), 내압력 구조 부품(pressure-bearing structural parts)의 경우에는 매우 위험하며 스프레이-콤팩티이드 재료(spray-compacted material)의 경우에 미세구조 변화가 피해진다.

본 발명은 아래의 실시예에 의해 더욱 자세하게 기술된다.

실시예

0.8 중량%의 크롬 함량, 0.15 중량%의 지르코늄 함량, 및 구리 및 불순물들로 구성되는 잔여물을 구비한 Cu-Cr-Zr 합금은 제1벽 부품을 제조하는 데 사용된다. 따라서, 구리 합금의 준비는 아래의 단계들을 포함한다:

먼저, Cu-Cr-Zr 합금이 유도 용융된다. 용융물은 분무화 노즐(atomizing nozzle) 내의 질소에 의하여 대략 75 ㎛의 직경을 갖는 용적(droplets)으로 분무화된다. 분무화 노즐로부터 기판 지지부(substrate holder)로의 용적의 비산 거리(flying distance)는, 용적이 기판 지지부 상에 충돌할 때에 용적은 고상선 온도(solidus temperature)와 액상선 온도(liquidus temperature) 사이의 상태이다. 이로 인하여, 대략 470mm의 직경을 구비한 강편은 기판 지지부 상에 형성된다. 이 경우에, 강편의 평균 입도는 100 ㎛이다. 수지상 조직(dendritic structure) 및 수지상 조직간 공간(interdendritic spaces)에서의 편석(segregation)은 높은 냉각률에 의해 방지된다. 편석의 추가적인 공정은 압출성형 및 압연에 의해 발생한다. 500 mm 길이를 갖는 조각으로 절단되는 압연된 막대의 단면은 30 × 65 mm이다. 입도의 검사는 30 ㎛의 평균 입도를 발견하였다. 이 경우에 입자의 90%는 70 ㎛ 미만의 입도를 갖는다. 용융 야금학적으로 제조되는 재료와 달리, 이러한 Cu-Cr-Zr 막대에 대한 초음파 검사는 검사되는 체적에서 균일한 음파 감쇠를 나타내는 음파 감쇠 특성을 결정하기 위해 수행된다. 이어서, 2 mm 두께의 순수 구리로 된 판(65 × 500 mm)은 이러한 막대에 배치된다. 이로 인해 얻어지는 조립체는 강 캔(steel can)에 배치된다. 캡은 TIG 용접(TIG welding)에 의해 밀봉되고, 밀봉 이후에 비워지며 기밀(gastight) 방식으로 밀폐된다. 이어서, 열간정수압소결 작업이 1000℃ 및 1000 bar에서 수행되며, 순수 구리 판과 스프레이-콤팩티이드(spray-compacted) Cu-Cr-Zr 바(bar) 사이에 무결점 재료 결합이 형성된다. 결함 검출 한계를 확인하기 위하여, 2 내지 10 mm 사이의 직경 범위의 얕은 구멍 및 2 내지 10 mm 사이의 슬릿 너비를 갖는 십자형 슬릿이 순수 구리 측면에 형성된다. 구멍과 십자형 슬릿 모두는 순수 Cu/Cu-Cr-Zr 접합 구역에 도달한다. 따라서, 이들은 일반적으로 가능한 결함을 나타낸다. 초음파 검사 이후에, 결함 평가를 위해 사용되어야만 하는 미리 기록되는 음파 감쇠 특성 없이 전개된 모든 결함들은 분명하게 탐지되는 것이 가능하다.

초음파 검사를 위하여, 복합체(composite body)는 펄스에코 방법(pulse-echo method)에 의하여 Cu-Cr-Zr 측으로부터 접합 구역의 방향으로 30 mm의 두께에 걸쳐 초음파 전송을 받는다. 이러한 검사는 수침법(immersion method)에 의해 수행된다. 다음의 방법 파라미터들이 채택된다:

검사 주파수: 5MHz

검사 헤드(test head): 해리소닉(Harisonic) 13-0506-R

진동 직경: 0.375"

포커싱(focusing): 2" 주사탐침현미경(SPM)

이어서 야금학적 검사가 수행되며 초기 상태와 비교하여 실질적으로 미세구조적 변화가 없음을 보여준다.

본 발명에 따르면 간단한 방식으로 비파괴 검사가 행해질 수 있다.

Claims (8)

1. 핵융합로의 제1벽 부품으로서,

   흑연 재료, 카바이드 재료, 텅스텐 및 텅스텐 합금을 포함하는 그룹에서 선택된 재료로 된 적어도 하나의 열 차폐막과, 구리 합금으로 된 히트 싱크를 포함하는 제1벽 부품에 있어서,

   상기 히트 싱크는 스프레이-콤팩티이드 구리 합금(spray-compacted copper alloy)으로 구성되며,

   구리 합금은 50 ㎛ 미만의 평균 입도를 가지며,

   구리 합금의 입도 분포의 d₉₀ 수치 및 d₅₀ 수치는 d₉₀ < 3 × d₅₀의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   구리 합금은 석출 경화 가능한 것을 특징으로 하는 제1벽 부품.
5. 제4항에 있어서,

   구리 합금은 0.3 내지 1.2 중량%의 Cr 및 0.03 내지 0.3 중량%의 Zr을 포함하며, 나머지는 구리 및 통상적인 불순물인 것을 특징으로 하는 제1벽 부품.
6. 제1항에 있어서,

   구리 합금은 70% 이상의 변형의 정도를 갖는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품.
7. 제6항에 있어서,

   순수 구리의 중간층은 히트 싱크와 열 차폐막 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품.
8. 제1항에 있어서,

   제1벽 부품은 모노블록 형태 또는 평탄한 타일로서 형성되는 것을 특징으로 하는 제1벽 부품.