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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Hochtemperatur-Werkstoffverbunde

Plasmabelastete Materialien für thermonukleare Fusionsanlagen

Team 2017

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Die kontrollierte thermonukleare Fusion als Langzeitenergiequelle rückt aufgrund der unbeschränkten Verfügbarkeit der Brennstoffressourcen und des extrem niedrigen CO2-Outputs mehr und mehr in den Fokus des Interesses. Mit ITER, dessen Arbeitsprinzip auf dem magnetischen Einschluss des Plasmas basiert, tritt die Fusion nun in eine neue Phase ein, um ihre technische und ökonomische Machbarkeit zu demonstrieren.

Der Kernfusionsprozess wird durch einen extrem hohen Energieoutput charakterisiert, der im Bereich einiger MeV pro Nukleon liegt. Aus diesem Grund ist die Leistungsdichte bzw. die thermische Belastung auf der inneren Wand in Fusionsreaktoren im Vergleich zu Kraftwerken mit fossilen Energieträgern oder anderen Energiewandlungssystemen wesentlich höher. Dies stellt hohe Anforderungen an die eingesetzten Materialien, insbesondere an die Wärmeleitfähigkeit, mechanische Festigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit. Die Konstruktion eines Fusionsreaktors mit ermüdungsresistenten plasmabelasteten Komponenten, die Wärmeflüssen bis ca. 20 MW/m² und kurzen transienten Belastungen im GW/m²-Bereich ausgesetzt sind, stellt eine der großen Herausforderungen im Bereich der Fusionstechnologieentwicklung dar. Zusätzlich treten auf den Komponenten der inneren Wand hohe Neutronenflüsse auf, denen die Materialien widerstehen müssen, ohne dabei in inakzeptabler Weise aktiviert oder geschädigt zu werden.

Hierbei sind unter anderem die folgenden Materialien und Werkstoffe auf Grund ihrer besonderen Eigenschaften von Interesse: Refraktärmetalle (insbesondere Wolfram (W)), niedrig-aktivierende Stähle (SS), Beryllium (Be), Graphit bzw. kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff, faserverstärkte Werkstoffe und Schichtsysteme. Anwendungsbereiche sind der Einsatz als Wandmaterial/Bauteil in Fusionsanlagen, Miniatur-Gasturbinen, Kollektoren für konzentrierende Solarthermie (CSP), Kontaktwerkstoffe für hohe elektrische Leistungen bzw. Hochleistungselektronik (Bauteilkonzepte), Hochleistungsröntgenröhren, Feuerfestmaterialien und Lithographie mit extrem ultravioletter Strahlung.

Die aktuellen Forschungsaktivitäten/-schwerpunkte lassen sich in drei Bereiche aufteilen. Im Bereich Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung werden Materialeigenschaften (thermisch und mechanisch) und deren Auswirkungen auf das Thermoermüdungs- und -schockverhalten, sowie der Einfluss von H, He und n auf die Materialparameter untersucht. Hochtemperaturwerkstoffe (W, SS, Be etc.) werden unter fusionsrelevanten, thermischen Bedingungen charakterisiert/qualifiziert und synergistische Effekte von rein thermischen Belastungen in Kombination mit Teilchenexposition (H, He, n) untersucht. Des Weiteren werden Hochtemperaturwerkstoffe/-komponenten unter kontrollierten thermischen Belastungen als Vorbereitung für weiterführende Versuche gezielt vorgeschädigt.

Im Bereich Werkstoff- und Methodenentwicklung wird die Möglichkeit der (in-situ) Reparatur von geschädigten Hochtemperaturwerkstoffen untersucht, sowie Konzepte zur Minimierung kritischer Spannungszustände in thermisch belasteten Werkstoffen/Komponenten entwickelt wie z.B. durch funktional gradierte Materialien (FGM). Die in den zwei vorangegangenen Bereichen gewonnen experimentellen Daten und Erkenntnisse bilden die Grundlage für den dritten Bereich, Numerische Simulationen. Mittels Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) werden thermomechanische Vorgänge in Materialien und Bauteilen unter transienten und stationären Wärmelasten simuliert, um Vorhersagen über das Ermüdungsverhalten/die Lebensdauer von Bauteilen und Komponenten unter thermischer und Teilchenbelastung treffen zu können. Diese Kombination von experimentellen Untersuchungen und numerischen Berechnungen dient als Grundlage für das bessere Verständnis der beobachteten Versagensmechanismen und zur Optimierung und Weiterentwicklung bestehender Hochtemperaturwerkstoffe/-komponenten sowie als Ausgangspunkt zur Entwicklung neuer Materialkonzepte. Sämtliche Aktivitäten im Bereich der Fusion dienen dem langfristigen Ziel, die notwendigen Technologien für ein Demonstrationskraftwerk (DEMO) zu erforschen.

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Modell des Europäischen Demonstrationskraftwerkes (DEMO)Modell des Europäischen Demonstrationskraftwerkes (DEMO)

Zusatzinformationen

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ITER SchemaITER Schema

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Wolfram SchmelztropfenWolfram Schmelztropfen nach transient thermischer Belastung

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BerylliumfilamenteBerylliumfilamente während thermischer Kontraktion erstarrt


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