Behavior/performance of tungsten as a wall material for fusion reactors

Gago Jiménez, German Mauricio; Krüger, Manja (Thesis advisor); Unterberg, Bernhard (Thesis advisor); Krupp, Ulrich (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = Energy & environment 612
Seite(n)/Artikel-Nr.: X, 120 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Kernfusion ist die häufigste Energiequelle im Universum. Im Inneren der Sterne werden durch Kernfusion Wärme und Licht freigesetzt. Seit den 1940er Jahren arbeitet man daran, die Kraft der Fusionsenergie nutzbar zu machen, doch ist dies noch nicht auf kommerziell vertretbare Weise gelungen. Der bisher größte Kernfusionsreaktor wird derzeit in Frankreich gebaut und soll 2025 sein erstes Plasma erzeugen. ITER (lateinisch "der Weg") soll der erste Fusionsreaktor der Welt sein, der mehr Energie freisetzt als er zur Plasmaheizung benötigt, und er soll - daher der Name - den Weg zur kommerziellen Nutzung der Fusionsenergie ebnen. Eine der größten Herausforderungen für ITER wird die Abfuhr der freigesetzten Leistung sein. Der Divertor in ITER wird der Bereich sein, der im Reaktor den höchsten Belastungen ausgesetzt ist. Wolfram wurde aufgrund seiner thermischen und mechanischen Eigenschaften, wie hoher Schmelzpunkt, hohe Wärmeleitfähigkeit und niedrige Erosionsrate, als geeignetster Kandidat für das Plasma-Wand-Material (PFM) im Divertor ausgewählt. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Analyse des Verhaltens von Wolfram unter ITER-relevanten stationären Plasma- und transienten Wärmebelastungen, um die Auswirkungen der Bedingungen im ITER-Divertor auf das PFM zu erfassen. Zu diesem Zweck wurden Wolframproben in der linearen Plasmaanlage PSI-2 getestet. Es wurden zwei Arten von Proben verwendet, eine mit nadelartigen Körnern senkrecht zur Probenoberfläche (transversale Proben), was die bevorzugte Mikrostruktur für den ITER-Divertor ist, die andere mit größeren, isotropen Körnern, die man durch Rekristallisation transversaler Proben erhält (durch Wärmebehandlung bei 1600 °C für eine Stunde, rekristallisierte Proben). Die Proben wurden jeder Art von Belastung einzeln, nacheinander, sowie gleichzeitig ausgesetzt, um die Auswirkungen sowohl unabhängig voneinander als auch in möglicher Synergie zu untersuchen. Bei der Beaufschlagung der Proben mit Plasmalasten wurde die Bildung von Nanostrukturen auf der Oberfläche, dem so genannten "fuzz" (engl. Flaum, Fussel), beobachtet, ohne dass es Anzeichen für eine weitere Oberflächenveränderung oder -schädigung gab. Der Einfluss der transienten Wärmebelastung wurde danach untersucht und es konnte gezeigt werden, dass die durch die Laserpulse verursachte ermüdende mechanische Wechselspannung einen größeren Einfluss auf die beobachteten Schäden hat als die Plasmapartikel. 105 Laserpulse mit 0,2 GWm 2 verursachten keine erkennbare Rissbildung in transversalen Proben und nur sehr geringe Rissbildung in rekristallisierten Proben. Bei dieser Leistungsdichte bildeten sich vollständige Rissnetzwerke erst nach 106 Pulsen aus, während dies bei 0,4 und 0,8 GWm 2 bereits nach 105 Pulsen zu beobachten ist. Anschließend wurde der Einfluss der gleichzeitigen Einwirkung beider Belastungen untersucht. In allen Fällen wurde die beobachtete Rissbildung durch die Synergie der Belastungen verstärkt, was durch Wasserstoffversprödung und die Bildung von Heliumblasen erklärt werden kann. Die Bildung von Heliumblasen im Material kann für das Materialverhalten der PFM von besonderer Bedeutung sein. Pulse von 0,8 GWm 2, so wie die Erhöhung der Plasmafluenz beschleunigten das Wachstum oberflächennaher Blasen erheblich. Bei der Untersuchung der Härte des Materials mittels Nanoindentierung zeigte sich in dem Bereich des Materials, der beiden Belastungsarten ausgesetzt war, eine Zunahme der Härte. Dieser Effekt nahm mit der Tiefe ab und wurde in Bereichen, die ausschließlich der Plasmabelastung ausgesetzt wurden, nicht beobachtet. Bei der Analyse der Eigenspannungen der Proben mit Hilfe der sin2Ψ-Methode wurde festgestellt, dass die transversalen Proben im Neuzustand erhebliche Druckspannungen in der Oberfläche aufwiesen. Dies erklärt die höhere Schadensschwelle, die das transversale Material im Vergleich zu rekristallisierten Proben aufweist. Eigenspannungen wurden nach der Einwirkung von Wärme- und Plasmabelastungen abgebaut. Diese Tests haben gezeigt, dass trotz der Bevorzugung einer transversalen Mikrostruktur für die Wolfram-PFM im Divertor kein signifikanter Unterschied im Materialverhalten bei höheren Belastungen besteht. In Bereichen des Divertors, in denen die Belastungen gering sind, bleibt die transversale Mikrostruktur erhalten. Wo jedoch die höchsten Belastungen zu erwarten sind, könnte sich die ursprüngliche Mikrostruktur als irrelevant erweisen, da eine weitgehende Rekristallisation zu erwarten ist. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse haben bestätigt, wie wichtig die Kontrolle (Verringerung der Intensität oder Unterdrückung) von transienten Wärmelasten in Bezug auf die Lebensdauer der Reaktorwand ist. Die hier untersuchten Pulszahlen sind geringer als die Anzahl, die während der Lebensdauer von ITER erwartet wird, und dennoch wurde bereits eine weit verbreitete Rissbildung beobachtet. Dies stellt an sich noch kein Problem für den Betrieb dar, kann aber zu anderen Problemen führen, z. B. zu einer verstärkten Erosion von Wolfram. Risse senkrecht zum Wärmefluss wirken zudem als thermische Barrieren für die Wärmeableitung, so dass höhere Temperaturen an der Oberfläche die Materialschäden verschlimmern und schließlich zu einem katastrophalen Versagen des Materials führen können.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]

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