Performance of metallic and carbon based materials under the influence of intense transient energy deposition [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Yoshie Koza

Koza

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• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
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Extrait

Performance of metallic and carbon-based materials
under the influence of intense transient energy deposition




















Yoshie Koza


Performance of metallic and carbon-based materials
under the influence of intense transient energy deposition





Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen
Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades
eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation







vorgelegt von



Yoshie Koza

aus

Miyagi, Japan




Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lorenz Singheiser
apl. Prof. Dr.rer.nat. Florian Schubert


Tag der mündlichen Prüfung: 27 Februar 2004

Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.
Abstract

Performance of metallic and carbon-based materials under the influence of intense
transient energy deposition

Yoshie Koza


Intense energy is deposited on localized areas of the plasma facing materials under transient
thermal loads such as edge localized modes (ELMs), plasma disruptions or vertical displacement
events (VDEs) in a magnetic confined fusion reactor. Crack formation, thermal erosion and
redeposition mainly take place under these conditions and may cause catastrophic damage in the
materials. Dust formation associated with evaporation and liquid or solid particles emission are also
serious issues to influence plasma contamination. In order to estimate the lifetime of the components
during above mentioned events (ELMs, disruptions, VDEs), the thermal erosion mechanisms and
performance of carbon-based and high Z materials have been investigated using energetic electron
beam facilities. Moreover, a thorough calibration of an electron beam in the high heat flux facility
JUDITH was done.
For the evaluation of erosion data obtained in different test facilities several factors have to be
taken into account. Different material erosion processes at identical heat loads induced by different
facilities take place due to different beam generation and beam modes (static/scanned beam). The
different degradation processes were created by different surface tensions and vapor recoil pressures at
local spots in the loaded area. Molten and re-solidified material remained within the loaded area by
fast scanning of the electron beam in JUDITH, which leaded to a rippling surface.
Erosion scenarios have been elucidated on pure W and carbon-based materials. For W, the
thermal erosion is initiated by convection of melt, strong evaporation or boiling processes. Moreover
the formation of a vapor cloud was observed in the simulation experiments indicating vapor shielding
on the surface. From screening tests on different high Z materials, pure W was found to show the
highest resistance against thermal shock under plasma disruption conditions and are suitable for the
components in Tokamak fusion reactors. A castellated structure was found to help reducing crack
formation compared to monolithic structure.
For carbon-based materials (isotropic graphite, carbon fiber composites (CFCs), Si-doped CFC),
material erosion in different particle emission regimes, and characterization of emitted particles have
been studied. “Small” and “Big” particle emission regimes have been identified under brittle
destruction, which represents the combined action of sublimation, crack formation and ejection of
solid particles. These regimes were related to the ejected particle size and maximum erosion depth.
The resulting erosion patterns on the test samples and the morphology of the ejected particles differ
significantly for the three materials. For both carbon and tungsten, preheating of samples before
loading enhances material damages such as weight loss and crater formation.

Kurzfassung

Verhalten von metallischen und Kohlenstoffbasis Werkstoffen unter dem Einfluss
intensiver transienter Energiedeposition

Yoshie Koza

In zukünftigen Fusionsreaktoren des Tokamak-Typs werden die an das Plasma grenzenden
Materialien unter transienten thermischen Belastungen wie Edge Localized Modes (ELMs), Plasma-
Disruptionen und vertikalen Plasma-Instabilitäten (VDE), lokal mit hohen thermische Belastungen
beaufschlagt. Unter diesen Bedingungen können Rissbildung, thermische Erosion, und
Rekristallisation auftreten, welche katastrophale Schädigungen im Werkstoff zur Folge haben können.
Die Bildung von Stäuben, hervorgerufen durch Verdampfung und die Emission flüssiger sowie fester
Partikel und die damit verbundene Plasma-Verunreinigungen stellen ein weiteres Problem dar. Um die
Lebensdauer der Komponenten abschätzen zu können, wurden an typischen Wandmaterialien mit
Hilfe von Elektronenstrahlanlagen solche Belastungen simuliert. Aufgrund dieser Experimente
konnten Aussagen bezüglich thermischer Erosionsmechanismen, Werkstoffverhalten und der Eignung
von Refraktärmetallen bzw. Werkstoffen auf Kohlenstoffbasis getroffen werden. Des weiteren wurde
eine Kalibrierung des Elektronenstrahls durchgeführt .
Bei der Bewertung des in verschiedenen Testanlagen gewonnenen Datenmaterials sind in
Bezug auf die Erosion eine Vielzahl von Einflußfaktoren zu berücksichtigen. Dabei treten
verschiedener Erosionsprozesse in unterschiedlichen Experimenten bei nominal identischer
thermischer Belastung auf. Diese können auf die Differenz in den Strahlparametern zurückgeführt
werden. Die Unterschiede in der Schädigung verschiedener Materialien können durch unterschiedliche
Oberflächenspannungen und lokal auftretenden Dampfdrücke erklärt werden, die sich wiederum auf
die Verdrängung der entstehenden Schmelzphase auswirken. Aufgrund der schnellen Abrasterung
durch den Elektronenstrahl kommt es zu einer homogenen Werkstoffbelastung, bei der die Schmelze
vorwiegend am Ort ihrer Entstehung erstarrt.
Erosionsszenarien wurden für reines Wolfram und Werkstoffe auf Kohlenstoff-Basis erstellt.
Im Falle von Wolfram, wird die thermische Erosion durch die Konvektion der Schmelze und starke
Verdampfung in Verbindung mit Siedeprozessen initiiert. Zusätzlich wurde in den Experimenten die
Bildung einer Dampfwolke beobachtet, woraus auf eine Abschirmung der Oberfläche durch den
Ablationsdampf gegen den Elektronenstrahl geschlossen wird. Anhand von Versuchen an
verschiedenen hoch-Z Materialen wurde ermittelt, dass reines Wolfram unter fusionsrelevanten
Bedingungen, die höchste Resistenz gegenüber Thermoschocks aufweist und daher für die
Komponenten in Tokamak Fusionsreaktoren am besten geeignet ist. Weiterer Versuche ergaben, dass
eine kastellierte Struktur im Vergleich zum massiven Werkstoff in der Lage ist, die Rissbildung
weiter zu reduzieren.
Für Kohlenstoffe (Graphit, faserverstärkte Kohlenstoff-Werkstoffe (CFCs), und Si-dotiertes
CFC) wurden die Erosionseffekte bei unterschiedlichen Belastungen und variierender Partikelemission
untersucht. Die emittierten Partikel wurden mit unterschiedliche Verfahren charakterisiert. Für die
hier verherrschende 'Brittle Destruction' die letztendlich eine Kombination von mehreren Prozessen
wie Sublimation, Rissbildung und Emission fester Partikel darstellt, wurden Bereiche für die Emission
"kleiner" und "großer" Partikel identifiziert. Für diese Bereiche konnte die Partikelgröße mit der
maximalen Erosionstiefe korreliert werden. Die durch Erosion hervorgerufenen
Oberflächenveränderungen auf den getesteten Proben und die Morphologie der emittierten Partikel
sind für die drei Kohlenstoff-Werkstoffe unterschiedlich. Für die beiden Werkstoffgruppen
Kohlenstoff und Wolfram gilt gemeinsam, dass ein Vorheizen der Proben zu einem Anstieg der
Materialschädigung, wie z.B. Gewichtsverlust und/oder Kraterbildung führt.
Contents

Contents
1 INTRODUCTION ............................................................................................................. 1
1.1 NUCLEAR FUSION ........................................................................................................ 1
1.2 PLASMA FACING COMPONENTS.................................................................................... 3
1.3 ENERGY DEPOSITION ON PFCS 5
1.4 THERMALLY INDUCED MATERIAL DAMAGE................................................................. 6
1.5 SCOPE OF THE WORK ................................................................................................... 7
2 STATE OF KNOWLEDGE ON PLASMA FACING COMPONENTS (PFCS) AND
ELECTRON BEAM................................................................................................................ 10
2.1 PLASMA-WALL INTERACTION .................................................................................... 10
2.1.1 Surface damage..........................................................................................