Degradation and defects in plasma facing components for future fusion devices

Kapustina, Anna; Singheiser, Lorenz

doi:25834

Degradation and defects in plasma facing components for future fusion devices

Kapustina, Anna (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevon Anna Kapustina

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangII, 144 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-05-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-9105
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/53033/files/Kapustina_Anna.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Divertor (Genormte SW) ; Thermische Belastung (Genormte SW) ; Plasma (Genormte SW) ; Wärmeübertragung (Genormte SW) ; Degradation (Genormte SW) ; Infrarotkamera (Genormte SW) ; Fusionsreaktor (Genormte SW) ; Wand (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; ITER (frei) ; CFC (frei) ; Plasma facing components (frei) ; Infrared thermography (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die grundlegenden Funktionen der ersten Wand und des Divertors bestehen in der Abfuhr von im Plasma erzeugter Wärme und der Neutronenabschirmung. Die plasmabelasteten Wandkomponenten (PFCs) sind für die optimale Abfuhr der hohen Wärmeströme an das Kühlsystem ausgelegt und bestehen aus einer dicken Armierung, welche auf eine aktiv gekühlte Wärmesenke aufgebracht ist. Im normalen Betrieb müssen diese Komponenten einen Wärmestrom von 5 MW/m² im Divertor und 0,5 MW/m² an der ersten Wand abführen. Zusätzlich werden kurzzeitige lokale Fehlbelastungen von bis zu 20 MW/m² auftreten. Daher können lediglich Werkstoffe mit hervorragenden thermischen Eigenschaften und ausreichendem Thermoschockverhalten in diesen Bereichen eingesetzt werden. Für ITER sind die drei Werkstoffkandidaten Beryllium, kohlefaserverstärkte Graphite (CFC) und Wolfram vorgesehen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Infrarot-Teststand (IRINA) aufgebaut um grundlegende Untersuchungen zum Wärmetransport in den PFCs durchzuführen und darauf aufbauend eine Qualitätskontrolle zu entwickeln. Zunächst ist der Einfluss von lokalen Emissionsunterschieden auf die Temperaturmessung analysiert und eine Korrekturmethode zur Kompensation lokaler Ungleichmäßigkeiten erfolgreich eingeführt worden. An unterschiedlichen Komponenten konnten somit Bereiche mit geminderter Wärmeabfuhr bestimmt werden. Mit der Hilfe von FE-Berechnungen wurde eine Korrelation zwischen Defekten innerhalb der Komponenten und den gemessenen Temperaturfeldern erstellt. Dies ermöglichte die Festlegung eines minimalen Temperaturunterschiedes zwischen intaktem und fehlerbehaftetem Gebiet für eine erfolgreiche Defektzuordnung mittels IR-Analyse. Die Wärmeabfuhr in den fehlerbehafteten Gebieten der PFCs wurde weiterhin in der Elektronenstrahlanlage JUDITH mit unterschiedlichen Lastzyklen untersucht. Spezielles Augenmerk galt dabei den CFC-Flachziegel-Modulen für den Divertor, wobei zwei Bereiche mit unterschiedlichem Temperaturanstieg als Funktion der Zyklenzahl mit Vorgängen innerhalb der Komponenten in Korrelation gestellt werden konnte. Ein langsamer Temperaturanstieg beschreibt demnach langsames Defektwachstum während ein schneller Temperaturanstieg mit massivem Risswachstum einhergeht und das baldige Versagen der Komponente ankündigt. An Beryllium Modulen wurde eine Reduktion der Wärmeabfuhr im allgemeinen nicht festgestellt. Nach 1000 Zyklen mit 1,5 MW/m² zeigten die Bauteile der ersten Wand keinerlei Degradationserscheinungen. Es konnte jedoch gezeigt werden, daß Belastungen oberhalb 2 MW/m² innerhalb weniger Sekunden zum vollständigen Versagen der Flachziegel führen. Versagensursachen treten dabei in Form von Fehlern oder Rissen an den Fügezonen, der Bildung intermetallischer Phasen und hohen thermischen Spannungen, in Erscheinung. Zusätzlich ist der Einfluss von Neutronenschäden auf die Wärmeabfuhr von Wolfram- und CFC-Modulen untersucht worden. Es zeigte sich, daß Neutronenbestrahlung die Wärmeabfuhr von plasmabegrenzenden Komponenten mit Wolfram Armierung nicht wesentlich beeinflusst. Dagegen war die Reduktion der Wärmeabfuhr bei CFC-Modulen beachtlich, hervorgerufen durch eine starke Abnahme der Wärmeleitfähigkeit des Kohlenstoff-Werkstoffs nach der Bestrahlung. Nach einigen Belastungszyklen mit 10 MW/m² nahm die Oberflächentemperatur der CFC-Module jedoch mit der Zeit langsam ab. Dies deutete auf eine Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit des Werkstoffs hin, hervorgerufen durch thermische Erholungseffekte. An den zuvor bestrahlten Modulen konnten thermische Ermüdungserscheinungen bereits bei geringeren Belastungen beobachtet werden, als an den unbestrahlten Referenzproben.

The main function of the first wall and the divertor are to remove the power generated by the plasma and to shield from neutrons. The plasma facing components (PFCs) are optimised the high heat flux energy removal. PFCs are composed of a thick armour joined to an actively cooled heat sink to provide the necessary transfer of the incident power to the cooling system. During normal operation these components have to dissipate a heat flux up to 5 MW/m² in the divertor and 0.5 MW/m² on the first wall. During short time off-normal events these loads can locally rise up to 20 MW/m². Consequently, only materials with excellent thermal properties and sufficient thermal shock resistance are tolerated in these regions. Three materials, beryllium, carbon fiber composites (CFCs) and tungsten, are selected as candidates for armour materials in the fusion facility ITER. For basic studies of PFC heat transfer properties inspection and quality control an infrared inspection facility (IRINA) has been installed. The impact of local differences in emissivity of the armour materials on temperature measurements was studied. To compensate local temperature variations originating from emissivity inhomogeneities of the most specimens a temperature correction method was applied successfully. On different components defect zones with reduced heat transfer properties could be detected. In the combination with FE-calculations a correlations between defects within the component and the measured temperature field was found. On this basis the minimum temperature difference between intact and defect zones for detection by IR analysis could be given. The heat transfer in defect areas of plasma facing components has been tested in the electron beam facility JUDITH under cyclic loads with different configurations. Special emphasis has been given on the thermal fatigue behavior of CFC flat tile divertor modules. Two regimes of surface temperature increase rate were detected. It was found that slow temperature increase characterizes small structure imperfections growing with thermal fatigue. A strong surface temperature increase indicated catastrophic crack propagation leading to armour detachment. The heat transfer reduction of beryllium armoured modules during cyclic loading has in general been not detected. The tested first wall modules did not shown degradation of heat transfer rate during 1000 cycles at 1.5 MW/m². It was shown that complete failure of beryllium tiles progressed with heat flux 2 MW/m² during a few seconds. The reasons of failure were found to be joint damages including cracks, the formation of intermetallic phases and high thermal stresses. Additionally, the neutron induced heat transfer degradation of tungsten and carbon-based modules was investigated. It was found that neutron irradiation did not reduced the heat transfer ability of tungsten armoured plasma facing components under static loads remarkable. But the heat transfer reduction of irradiated CFC modules was significant. It is caused by a strong decrease of thermal diffusivity of C-based materials after neutron irradiation. During cycling at loads of 10 MW/m² the surface temperature of irradiated CFC modules slightly decreased with time. It indicates an improvement of the that heat transfer properties due to annealing effects of armour material. The heat transfer degradation of irradiated modules due to thermal fatigue were observed at lower loads compared to non-irradiated reference samples.

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