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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Forschungsbereiche

Unsere Forschungsbereiche konzentrieren sich auf das Testen und die Analyse von Materialien und Komponenten unter extremen Belastungsbedingungen, wie beispielsweise Hochtemperaturanwendungen in Fusionsreaktoren. Vier verschiedene Effekte (thermische Ermüdung, Thermoschock, Neutronenbestrahlung, Partikelflüsse) und eine Methode (Finite Elemente Simulation) stehen dabei im besonderen Fokus unserer Aktivitäten. Die drei Hauptkandidaten für Plasma-Wand-Materialien sind derzeit Beryllium (Be), Wolfram (W) und niedrig aktivierende Stähle. Diese Materialien zeichnen sich durch besonders gut geeignete Eigenschaften aus, unter anderem die sehr große thermische Leitfähigkeit von Beryllium und Wolfram. Stähle werden derzeit eher für abgelegene Bereiche verwendet, auf denen geringere Wärmeflüsse zu erwarten sind.

Die thermischen Lasten mit fusionsrelevanten Belastungsbedingungen werden experimentell von leistungsstarken Elektronenstrahlanlagen simuliert.

Thermoermüdung...

Europäischer Beryllium Mock-up für Qualifizierungstets für ITER

… tritt hauptsächlich an den Grenzflächen zwischen gefügten Materialien auf. Die Kombination aus einem Plasma-Wand-Material, das die thermischen Lasten absorbiert, auf einer aktiv gekühlten Wärmesenke hat ein hohes Potential demonstriert. Typische Wärmesenken werden aus Kupfer, Kupferlegierungen oder Stahl gefertigt. Verschiedene Fügetechniken (Löten, Explosions-Bonden, Diffusions-Bonden, heißes isostatisches Pressen, etc.) werden genutzt um die Wärmesenke mit dem Plasma-Wand-Material zu verbinden. Während des Betriebes führen zyklische thermische Lasten zu zyklischen mechanischen Lasten an der Grenzfläche, die typischerweise zu Ermüdungsschäden führen. Die Folgen solcher Ermüdungsschäden können Überhitzung und auch das Ablösen der Plasma-Wand-Materialien sein. mehr

Thermoschocks...

Thermoschock

… verursachen hauptsächlich oberflächliche Schäden (wenige Mikrometer bis zu einigen hundert Mikrometern) und werden daher auf Komponenten und Materialien, auch ohne aktive Kühlung, zum Beispiel auf kleinen Wolframblöcken, getestet. Ein Thermoschock erhöht die Oberflächentemperatur eines Materials um mehrere hundert Kelvin innerhalb einer Millisekunde. Daraus resultiert ein steiler Temperaturgradient, der zu hohen lokalen Spannungen aufgrund der thermischen Expansion führt. Ein Vergleich der Leistung verschiedener Materialien wird sowohl mit Niedrigpulstests mehr als auch mit Hochpulstests durchgeführt. mehr

Neutroneninduzierte Effekte…

Neutroneninduzierte Effekte

… verschlechtern die Materialeigenschaften und damit beeinflussen sie auch die Leistung der Materialien in beiden vorher beschriebenen Feldern. Die D-T Fusionsreaktion resultiert in hohen Neutronenflüssen von 14 MeV Neutronen, die zu mikrostrukturellen Veränderungen, Transmutation und Aktivierung von Materialien führen können. Die Neutronenbestrahlung von Komponenten wird im Rahmen von Kollaborationen mit Partnerinstituten durchgeführt (z.B. im HFR-Petten) Die Komponenten werden nach der Bestrahlung zu unseren Versuchsanlagen transportiert und getestet. Hierbei steht hauptsächlich der Aspekt der Thermoermüdung im Fokus. mehr

Partikelflüsse…

Parikelflüsse

… treffen auf die Armierungsmaterialien simultan zu den thermischen Lasten (und übertragen dabei einen Teil der thermischen Energie). Neben den Neutronen zählen hierzu auch Wasserstoff/Deuterium, Helium und weitere Teilchenarten (z.B. erodierte Berylliumatome) die auf die Oberfläche der Armierung treffen. Im Gegensatz zu den Neutronen dringen diese Teilchenarten nicht tief in das Material ein, führen jedoch zu einer komplexen Plasma-Wand Wechselwirkung die signifikant die Oberflächenbeschaffenheit der Armierung verändern kann. Experimentell werden diese hohen Partikelflüsse in Plasma- oder Ionenstrahlanlagen simuliert. mehr

Finite Elemente Simulationen…

Finite Elemente Simulationen

… werden unterstützend genutzt, um beispielsweise Temperaturen in Experimenten mehr, vorherzusagen. Weiterhin können mit dieser Methode kritische Positionen mit den höchsten induzierten Spannungen in einer Komponente ermittelt werden. Diese Punkte sind die Schwachpunkte, bei denen das Versagen der Komponente wahrscheinlich beginnt. mehr


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