Performance of tungsten-based materials and components under ITER and DEMO relevant steady-state thermal loads [Elektronische Ressource] / Guillaume Henri Ritz

Guillaume Ritz

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 13
• Langue: English
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Extrait

Performance of Tungsten-Based Materials and
Components under ITER and DEMO Relevant
Steady-State Thermal Loads
Von der Fakult at fur Maschinenwesen der Rheinisch-Westf alischen Technischen
Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Guillaume Henri Ritz
aus
Corbeil-Essonnes (Frankreich)
Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lorenz Singheiser
Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Hans-Josef Allelein
Tag der mundlic hen Prufung: 21. Dezember 2010
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbar.iiList of symbols and abbreviations
Symbols
T Temperature rise (during thermal shock loads) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [K]
t Pulse duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [s]
Absorption coe cient (of tungsten for electrons) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [-]
1 1 Thermal conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [WK m ]
3 Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [kgm ]
Nuclear cross section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [barns]
Energy con nement time. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .[s]E
1c Speed of light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [ms ]
1 1c Speci c heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [J kg K ]p
d Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [m]
f Frequency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .[Hz]
I Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [A]
2 2K Kinetic energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [kgms ]D
m Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [kg]
3n Ions density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [m ]
P Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [W]
2P Absorbed power density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [Wm ]abs
2P Local power density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [Wm ]local
R Roughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [m]a
2S Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [m ]
T Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [K]
iiit Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [s]
U Acceleration voltage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .[V]
1v Beam velocity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .[ms ]
Abbreviations
BSE Backscattered Electron
CBN Cubic Boron Nitride
CFC Carbon Fibre Composite
CFD Computational Fluid Dynamics
CTE Coe cient of Thermal Expansion
CVD Chemical Vapor Deposition
DBTT Ductile-to-Brittle Transition Temperature
DPA Displacement Per Atom
EBSD Electron Backscattered Di raction
ECM Electro-Chemical Machining
EDM Electric Discharge Machining
EDX Energy-Dispersive X-ray
ELM Edge Localized Mode
FE Finite Element
FWHM Full-Width Half-Maximum
FZJ Forschungszentrum Julic h
HEMJ HElium-cooled Modular Jet
HFF Heat Flux Factor
HHF High Heat Flux
JUDITH Julic her Divertor Testanlage in den Hei en Zellen
KIT Karlsruhe Institute of Technology
LCMF Last Closed Magnetic Surface
MFR Mass Flow Rate
PFC Plasma-Facing Component
ivPFM Plasma-Facing Material
PIM Powder Injection Moulding
PPCS Power Plant Conceptual Study
RCT Recrystallisation Temperature
RT Room Temperature
SEM Scanning Electron Microscopy
SOL Scrape-O Layer
VDE Vertical Displacement Event
VPS Vapor Plasma Spraying
vviKurzfassung
Bei Kernfusionsanlagen ist die Innenwand, die direkten Kontakt mit dem Plasma hat,
hohen Energie ussen ausgesetzt. Die st arksten Belastungen treten dabei im Bereich des
Divertors im unteren Teil der Plasmakammer auf, der kontinuierlichen W armelasten
2mit Leistungsdichten von mehreren MWm sowie transienten Belastungen widerste-
hen muss. Letztere sind sehr kurzzeitig (Millisekunden- und Submillisekundenbereich),
2deponieren aber h ochere Leistungsdichten von einigen GW m . Die Anforderungen an
Materialien, das diesen extremen Bedingungen widerstehen kann, fuhrte zur Wahl von
Wolfram, das die Folgenden vorteilhaften Eigenschaften besitzt: eine hohe Schmelztem-
peratur, gute thermische Leitf ahigkeit, hohe Widerstandsf ahigkeit gegen physikalis-
ches Sputtern, geringe W armeausdehnung und niedrige Aktivierbarkeit. Diese Eigen-
schaften machen es zu einem interessanten und vielversprechenden Kandidat fur die
Auskleidung der Divertoren zukunftiger Fusionsanlagen wie ITER und DEMO.
Fur den DEMO Divertor wurde eine konzeptionelle Studie an heliumgekuhlten Wand-
komponenten aus Wolfram durchgefuhrt. Dieses Konzept wurde umgesetzt und unter
DEMO relevanten zyklischen W armebelastungen getestet. Die anschlie ende Unter-
suchung der Komponenten vor und nach der thermischen Belastung mittels Metallo-
graphie erm oglichte es, die Mechanismen, die zum Versagen der Komponenten fuhrten,
zu bestimmen. Es wurde unter anderem gezeigt, dass die Wolframsorte und die damit
verbundene Rissstruktur einen Ein uss auf das Verhalten der Wandkomponenten unter
hohen W arme ussen hatte.
Eine Eignungsstudie sollte unter besonderer Beruc ksichtigung der auftretenden Riss-
bildung zeigen, wie sich bestimmte Wolframsorten unter fusionsrelevanten kontinuier-
lichen W armelasten verhalten. Insgesamt wurden sieben kommerziell verfugb are Wol-
framsorten von zwei Herstellern untersucht. Da das thermische Verhalten der Mate-
rialien stark mit deren Mikrostruktur verknupft ist, wurden im Rahmen dieser Studie
verschiedene Materialgeometrien und Herstellungsverfahren miteinander verglichen.
Dies beinhaltete eine selbst entworfene, aktivgekuhlte Komponente, die auf dem Flach-
probendesign basierte, um alle Materialien denselben Ober achentemperaturen zu be-
lasten. Die kontinuierlichen W armelasten mit ub erlagerten transienten W armelasten
wurden mit einem Elektronenstrahl, der die Komponenten mit Frequenzen in kHz
Bereich scannte, auf die Komponenten aufgebracht. In den Versuchen wurde die Leis-
tungsdichte, die Ober achentemperatur der Proben und die aufgebrachten Zyklen-
zahlen variiert. Der Temperaturgrenzwert fur Rissbildung konnte zwischen 1000 und
1900 C lokalisiert werden. Sobald Rissbildung einsetzte, hatte die Ober achentem-
peratur keinen Ein uss mehr auf das Rissnetzwerk im belasteten Bereich. Allerdings
wuchs die Risstiefe mit der Zyklenzahl an, war aber immer auf einen obeacr hennahen
Bereich von ca. 100 m begrenzt.
viiEin Nachteil von Wolfram ist sein spr odes Verhalten bei Raumtemperatur, das eine
Verarbeitung erschwert und geeignete Bearbeitungmethoden erfordert. Die Unter-
suchung der heliumgekuhlten Wandkomponenten aus Wolfram zeigte Risse in den
maschinell bearbeiteten Ober achen. Um das Verhalten der Wandkomponenten besser
zu verstehen, war es notwendig, den Ein uss der Ober achenvorsch adigung auf die
Gesamtschadigung unter starken W armelasten zu untersuchen. Im Rahmen der Eig-
nungstests wurden daher vorgesch adigte und nicht vorgesch adigte Proben starken W ar-
me ussen ausgesetzt. Vorgesch adigte Ober achen erhielt man durch Ober achenbear-
beitung mittels Funkenerosion (electric discharge machining) und defektfreie Ober a-
chen durch Polieren. Nach thermischer Beanspruchung zeigte sich, dass die Vorsch adi-
gung in den h ochsten Rissdichten resultierte. Die Risstiefe war hingegen unabh angig
von der Zyklenzahl ganz im Gegensatz zu den Rissen, die in den polierten Ober achen
auftraten.
viiiAbstract
In nuclear fusion devices the surfaces directly facing the plasma are irradiated with
high energy uxes. The most intense loads are deposited on the divertor located at
the bottom of the plasma chamber, which has to withstand continuous heat loads
2with a power density of several MWm as well as transient events. These are much
shorter (in the millisecond and sub-millisecond regime) but deposit a higher power
2densities of a few GWm . The search for materials that can survive to those severe
loading conditions led to the choice of tungsten which possesses advantageous attributes
such as a high melting point, high thermal conductivity, low thermal expans