Thermal shock behaviour of different tungsten grades under varying conditions

Wirtz, Oliver Marius; Singheiser, Lorenz

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-43140

Thermal shock behaviour of different tungsten grades under varying conditions = Thermoschockverhalten unterschiedlicher Wolframsorten bei variierenden Bedingungen

Wirtz, Oliver Marius (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Oliver Marius Wirtz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangXIV, 130 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-07-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-43140
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/62897/files/4314.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Energietechnik (FZ Jülich) (413410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Wolfram (Genormte SW) ; Sinterwerkstoff (Genormte SW) ; Material (Genormte SW) ; Thermische Belastung (Genormte SW) ; ITER (Genormte SW) ; Metall-Wasserstoff-System (Genormte SW) ; Elektronenstrahl (Genormte SW) ; Fusionsplasma (Genormte SW) ; Kernfusion (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Materialeigenschaften (frei) ; Wasserstoffplasma (frei) ; Schadensanalyse (frei) ; ELMs (frei) ; thermal shock (frei) ; plasma-facing material (frei) ; tungsten (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 65.40.De * 28.52.W * 28.52.Fa * 52.40.Hf

Kurzfassung
Thermonukleare Fusionskraftwerke sind eine vielversprechende Möglichkeit, die Energieversorgung zukünftiger Generationen zu sichern. Allerdings stellt sie uns in vielen Forschungsbereichen vor enorme Herausforderungen. Ein großer Schritt hin zu einem Prototyp eines Fusionsreaktors (DEMO) wird ITER sein, welcher zurzeit in Cadarache in Südfrankreich gebaut wird. Eine der schwierigsten Aufgaben stellt hierbei die Auswahl von geeigneten Werkstoffen dar und ganz besonders die der dem Plasma zugewandten Materialien (plasma facing material, PFM). PFMs, die in einer Anlage wie ITER zu Einsatz kommen, müssen nicht nur extremen stationären und transienten thermischen Belastungen standhalten, sondern auch hohen Wasserstoff-, Helium- und Neutronenflüssen widerstehen. Materialien, die für eine solche Anwendung in Frage kommen, sind Beryllium, Wolfram und Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff (carbon fibre composite, CFC). Wolfram ist der vielversprechendste Werkstoff für eine Anwendung im Bereich des Divertors, wo die extremsten Belastungsbedingungen herrschen und wird aller Wahrscheinlichkeit nach auch als PFM in DEMO Verwendung finden. Aus diesem Grund konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf die Untersuchung des Thermoschockverhaltens verschiedener Wolframsorten unter ITER und DEMO relevanten Belastungszuständen, um die zugrundeliegenden Schädigungsmechanismen zu verstehen und Materialeigenschaften zu identifizieren, welche dieses Verhalten beeinflussen. Hierzu wurden sowohl die mechanischen und thermischen Eigenschaften, als auch die Mikrostruktur von fünf industriell hergestellten Wolframsorten charakterisiert. Anschließend wurden alle fünf Materialien bei Temperaturen zwischen RT und 600°C in der Elektronenstrahlanlage JUDITH~1 transienten thermischen Belastungen mit Leistungsdichten von bis zu 1,27 GW/m² ausgesetzt. Um ein weites Spektrum an Belastungsbedingungen abzudecken und eine übermäßige Arbeitsbelastung der Testanlage zu vermeiden, wurde die maximale Zyklenzahl auf 1000 begrenzt. Die Ergebnisse dieser Experimente ermöglichten es, unterschiedliche Schädigungs- und Rissgrenzwerte für die verschiedenen Materialien festzulegen, sowie bestimmte Materialeigenschaften zu identifizieren, die einen Einfluss auf die Lage dieser Grenzwerte und die Ausprägung der verursachten Schädigungen haben. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass nicht nur die unterschiedlichen Zusammensetzung der Materialien, sondern auch die Mikrostruktur und die Rekristallisation des Materials einen wesentlichen Einfluss auf die Thermoschockschädigung hat, wie z. B. den Rissverlauf und die Oberflächenaufrauung. Neben diesen rein thermischen Belastungen wurden Wolframproben nacheinander mit Wasserstoffplasma hoher Flussdichte und zyklischen Thermoschocks belastet. Die aus diesen Versuchen erhaltenen Ergebnisse sollten Aufschluss darüber geben, ob die zusätzliche Belastung mit hohen Teilchenflüssen einen Einfluss auf das Thermoschockverhalten von Wolfram hat. Hierbei wurde vor allem auf die Veränderung der Thermoschockrissparameter wie Rissabstand, -breite und -tiefe geachtet. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass besonders die Vorbelastung mit Wasserstoffplasma einen signifikanten Einfluss auf das Thermoschockverhalten von Wolfram hat. Neben der Abfolge der Belastungszustände konnte die Oberflächentemperatur der Wolframproben während der Plasmabelastung als weiterer Einflussparameter auf das Materialverhalten identifiziert werden. Eine der offensichtlichsten Veränderungen aufgrund der Vorbelastung mit Wasserstoff ist, dass die Thermoschockrisse nicht länger auf den elektronenstrahlbelasteten Bereich beschränkt sind. Sie breiten sich sowohl in dem Bereich, der zuvor mit Plasma belastet wurde, also auch im unbelasteten Randbereich der Wolframproben aus. Darüber hinaus ist bei der Vorbelastung von Wolframproben mit Wasserstoff eine generelle Abnahme aller Rissparameterwerte zu beobachten. Die Kombination dieser Ergebnisse zeigt, dass das Thermoschockverhalten von Wolfram sehr komplex ist und von einer großen Bandbreite von Parametern beeinflusst wird. Die Auswirkungen extremer thermischer Belastungen auf unterschiedliche Wolframsorten können sehr gut mittels Elektronenstrahltest simuliert und charakterisiert werden, allerdings ohne den Einfluss hoher Teilchenflüsse zu berücksichtigen. Der Einfluss von Wasserstoffplasma hoher Flussdichten kann aus den nacheinander erfolgten Belastungsexperimenten abgeschätzt werden. Die Ergebnisse bieten einen guten Überblick der zu erwartenden Materialschädigung von Wolfram als PFM. Zusätzlich zeigen sie, dass die bei starken thermischen Belastungen in Kombination mit hohen Teilchenflüssen verursachten Schädigungen an der Materialoberfläche schädlich für den Betrieb von zukünftiger Fusionsanlagen wie ITER oder DEMO sind und signifikanten Einfluss auf deren Betriebsbedingungen für 1.000.000 oder mehr Zyklen, wie sie in ITER erwartet werden, haben.

Thermonuclear fusion power plants are a promising option to ensure the energy supply for future generations, but in many fields of research enormous challenges have to be faced. A major step on the way to the prototype fusion reactor DEMO will be ITER which is build in Cadarache, southern France. One of the most critical issues is the field of in-vessel materials and components, in particular the plasma facing materials (PFM). PFMs that will be used in a device like ITER have to withstand severe environmental conditions in terms of steady state and transient thermal loads as well as high particle fluxes such as hydrogen, helium and neutrons. Candidate wall materials are beryllium, tungsten and carbon based materials like CFC (carbon fibre composite). Tungsten is the most promising material for an application in the divertor region with very severe loading conditions and it will most probably also be used as PFM for DEMO. Hence, this work focuses on the investigation of the thermal shock response of different tungsten grades in order to understand the damage mechanisms and to identify material parameters which influence this behaviour under ITER and DEMO relevant operation conditions. Therefore the microstructure and the mechanical and thermal properties of five industrially manufactured tungsten grades were characterised. All five tungsten grades were exposed to transient thermal events with very high power densities of up to 1.27 GW/m² at varying base temperatures between RT and 600°C in the electron beam device JUDITH 1. The pulse numbers were limited to a maximum of 1000 in order to avoid immoderate workload on the test facility and to have enough time to cover a wide range of loading conditions. The results of this damage mapping enable to define different damage and cracking thresholds for the investigated tungsten grades and to identify certain material parameters which influence the location of these thresholds and the distinction of the induced damages. Furthermore the grain structure and the recrystallisation of the material have a significant influence on the thermal shock damage, especially the cracking pattern and surface roughening. Beside the thermal shock damage mapping tungsten was also successively exposed to steady state high flux hydrogen-plasma and to cyclic thermal shock events simulated with an electron beam. The induced damages were investigated to determine if the exposure to hydrogen-plasma has an influence on the thermal shock response of tungsten. Special attention was paid to the thermal shock crack parameters such as distance, width and depth. The investigations showed that there is a significant influence on the damage behaviour of tungsten, especially if the tungsten targets are pre-loaded with hydrogen plasma. Beside the sequence of the exposure also the surface temperature during the plasma loading shows a clear influence on the thermal shock behaviour. One of the most obvious changes is that due to the pre-exposure with hydrogen the thermal shock cracks are not limited to the electron beam loaded area anymore. They propagate through the only plasma loaded surface and even penetrate into the unexposed area at the edges of the tungsten targets. Additionally, all crack parameters decrease if the targets are pre-loaded with hydrogen plasma. The combination of these results shows that the thermal shock response of tungsten as a PFM is very complex and depends on a wide range of parameters. It can be very well characterised by electron beam tests, but it has to be taken into account that these tests only simulate thermal loads without any influence of particle exposure. The influence of high flux hydrogen-plasma exposure on the thermal shock behaviour of tungsten can be estimated based on the results obtained from successive loading experiments. They give a good overview of the expected damages on tungsten as a PFM. These damages on the surface of the materials which are induced by high power densities and in combination with particle fluxes are detrimental for the operation of next step fusion devices such as ITER and DEMO and will have significant impact on the operational limits for large pulse numbers of 1,000,000 or more as expected in ITER.

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