Hochtemperaturmateriallabor (HML) - Materialtests unter Höchstbelastung
Das Hochtemperaturmateriallabor (HML) ist wesentlicher Teil der Forschungsinfrastruktur des IFN-1, bietet weltweit einzigartige Möglichkeiten zur Werkstoff- und Komponentenuntersuchung und kooperiert mit nationalen und internationalen Organisationen im Rahmen von bi- und multilateralen Projekten (z.B. ITER, Fusion for Energy – F4E, EUROfusion, JET, ...). Den Schwerpunkt der Forschungsarbeiten im HML stellen Experimente zur Charakterisierung von Werkstoffen und Komponenten für die Erste Wand und den Divertor der im Bau befindlichen bzw. geplanten Fusionsanlagen ITER und DEMO dar.
Diese dem Plasma zugewandten Materialien und Komponenten werden in hohem Maße durch Plasma-Wand-Wechselwirkungsprozesse beansprucht. Dabei handelt es sich zunächst um hohe stationäre thermische Lasten von 10 MW/m2 mit Überbelastungen für mehrere Sekunden von bis zu ca. 20 MW/m2 während des zyklischen Plasmabetriebes. Darüber hinaus treten aber auch eine Reihe von transienten thermischen Belastungen auf, die in einem Zeitraum von Millisekunden bzw. sub-Millisekunden im Extremfall Energiedichten bis ca. 50 MJ/m2 auf einem Teil der Wand und insbesondere am Divertor „Strike-point“ deponieren. Des Weiteren treten hohe Partikelbelastungen der Wand durch die als Brennstoff genutzten Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium sowie durch das als Fusionsprodukt anfallende Helium auf.
Neben diesen hohen Wärme- und Partikelbelastungen werden die Materialien in zukünftigen Fusionsanlagen zusätzlich hochenergetischen Neutronen ausgesetzt, die im Gegensatz zu den zuvor genannten Belastungen ihre Energie nicht an der Oberfläche, sondern verteilt über das Volumen an den Werkstoff abgeben. Diese Neutronen beeinflussen sowohl die mechanischen als auch thermo-physikalischen Eigenschaften und führen je nach Material und Belastungsbedingungen zudem zu volumetrischen Veränderungen in unterschiedlichen Ausprägungen. Daher kommt der Nachuntersuchung bestrahlter Materialien im Zuge der Qualifizierung von Materialien für den Einsatz in Fusionsanlagen sowie von Design- und Lebensdaueranalysen eine besondere Bedeutung zu.
Die genannten Belastungen stellen extrem hohe Ansprüche an die Auswahl der Materialien und die Produktionsprozesse der Komponenten, insbesondere die Fügetechnologie. Dementsprechend werden, um die Qualität der Materialien und die Zuverlässigkeit der Wandkomponenten in punkto Versagensmechanismen und Lebensdauer zu bewerten, Wärmeflusstests mit Hilfe der Elektronenstrahlanlagen JUDITH 2 und JUDITH 3 durchgeführt. JUDITH 2, mit einer maximalen Leistung von 200 kW, dient hierbei der Untersuchung größerer Komponenten sowie der Aufbringung von hochfrequenten transienten thermischen Belastungen auf aktiv gekühlten Materialproben außerhalb des Heißzellenkomplexes.
IR-Bilder von Thermoschockproben in der Elektronenstrahlanlage JUDITH 2; Aufrauhung und Rissbildung nach Thermoschock bei 70°C Kühlwassertemperatur (links) und während des Abkühlvorganges inklusive Makroriss (rechts)
Die bestehende Heißzellenreihe im HML-2 sowie der derzeit in Errichtung befindliche Heißzellenkomplex im HML-3 dienen wiederum der Untersuchung von neutroneninduzierten Bestrahlungseinflüssen. Hierzu werden Materialproben und kleine Bauteile in europäischen und auch anderen internationalen Materialtestreaktoren sowie zukünftig in Anlagen zur Erzeugung von für die Fusion relevanten 14 MeV Neutronen (z.B. DONES) bestrahlt und anschließend im HML untersucht.
Bestrahlungsprobe mit Bestrahlungskapsel in Vorbereitung für den Einsatz im Reaktor.
Bis 2019 und nach beinahe drei Jahrzehnten Betriebszeit wurden dabei Wärmeflusstests mit der Anlage JUDITH 1 durchgeführt. Dies wird nun nach Errichtung der Heißen Zellen im HML-3 mit der 60 kW Elektronenstrahlanlage JUDITH 3, die bereits außerhalb der Zellen erfolgreich in Betrieb genommen wurde, fortgeführt. Ergänzt wird dies durch den Betrieb der ebenfalls im Bau befindlichen linearen Plasmaanlage JULE-PSI, die als nukleares Gegenstück zur bereits in Betrieb befindlichen Anlage PSI-2 außerhalb des HML ebenso in einer Heißen Zelle betrieben werden soll. Beide Anlagen sind weltweit einzigartig und ermöglichen die Untersuchung synergistischer Belastungseffekte unter einem Dach. Zur Qualifizierung und Quantifizierung der Ergebnisse stehen im HML-2 zudem mikroskopische und metallographische Methoden für die post-mortem Analyse zur Verfügung.
SEM-Bilder von Wolfram nach Thermoschockbelastung in JUDITH 2
Weitere Erweiterungen der Möglichkeiten der Nachbestrahlungscharakterisierung insbesondere im Hinblick auf die Charakterisierung der thermo-physikalischen Eigenschaften mittels Laserflash und Differential Scanning Kalorimetrie sind derzeit in Planung bzw. Bau. Zudem wird mittels der Anlage FREDIS, die im HML unter anderem zur Charakterisierung von schwach aktiven tritiumhaltigen Proben betrieben wird, die Wasserstoffrückhaltung in Materialien für die erste Wand von Fusionsreaktoren untersucht.
Anlage FREDIS für thermische (links; TDS-Ofen bei 800°C) und laser-induzierte (rechts; Wolframprobe während Laserbeschuss) Desorptionsspektroskopie
Aufgrund der im HML vorhandenen Expertise auf dem Gebiet der Hochtemperaturmaterialien wurden und werden neben den Arbeiten zu den verschiedenen Kernfusions-Projekten immer wieder auch Arbeiten für andere Forschungsthemen durchgeführt. Dies sind u.a. Arbeiten zur Entwicklung von Röntgendrehanoden, von Keramikdämmschichten in der konventionellen Kraftwerkstechnik, Hochtemperaturkeramiken für die Metallgussindustrie sowie die Charakterisierung von Dämmmaterialien in der Raumfahrt.
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