Tungsten-chromium-yttrium as self-passivating tungsten alloy

Wegener, Tobias; Allelein, Hans-Josef; Linsmeier, Christian; Broeckmann, Christoph

doi:10.18154/RWTH-2023-06199

Tungsten-chromium-yttrium as self-passivating tungsten alloy = Wolfram-Chrom-Yttrium als selbstpassivierende Wolframlegierung

Wegener, Tobias^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tobias Wegener

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Allelein, Hans-Josef (Thesis advisor)^RWTH* ; Linsmeier, Christian (Thesis advisor) ; Broeckmann, Christoph (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-07-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-06199
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/960355/files/960355.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und -technik (413110)

Projekte

EUROfusion - Implementation of activities described in the Roadmap to Fusion during Horizon 2020 through a Joint programme of the members of the EUROfusion consortium (633053) (633053)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
DEMO (frei) ; W-Cr-Y alloys (frei) ; W-based alloys (frei) ; advanced plasma-facing materials (frei) ; oxidation resistance W-Cr-Y alloys (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Wolfram ist unter anderem aufgrund des hohen Schmelzpunkts und der Erosionsbeständigkeit der Hauptkandidat für die erste Wand in zukünftigen Fusionsreaktoren. Ein Kühlmittelverluststörfall mit Lufteintritt kann zu Temperaturen von 800°C bis 1200°C an der ersten Wand und zur Mobilisierung von radioaktiven Wolframoxiden führen. Für den Reaktor, der auf der kurzfristig verfügbaren Technologie basiert, werden bei einem solchen Unfall Temperaturen von etwa 1000°C erwartet. Berechnungen in dieser Arbeit prognostizieren, dass bei 1000°C pro Stunde eine Wolfram Masse von etwa 2 kg von der ersten Wand (1000 m²) sublimieren. Dies entspricht einer mobilisierten Aktivität von etwa 9 × 10¹⁴ Bq. Um die Mobilisierung bei einem solchen Unfall zu minimieren, wird im Rahmen dieser Arbeit eine W-Cr-Y Legierung entwickelt, die durch die Bildung einer geschlossenen Chromoxidschicht das Wolfram darunter schützt. Die Zusammensetzung der Legierung wird mithilfe von Dünnschichtlegierungen auf eine möglichst niedrige Oxidationsrate und einen hohen Wolframanteil optimiert, um die Erosionsbeständigkeit und den Schmelzpunkt reinen Wolframs möglichst zu erhalten. Das Ergebnis dieser Optimierung für eine Oxidationstemperatur von 1000°C ist eine Zusammensetzung von 11,4 Gewichtsprozent Chrom und 0,6 Gewichtsprozent Yttrium (W-11,4Cr-0,6Y). Basierend auf dieser Zusammensetzung werden Massivproben durch mechanisches Legieren der elementaren Pulver und Feld-aktiviertes Sintern (FAST) hergestellt und auf ihre Mikrostruktur hin optimiert. Eine Diffusionssimulation zeigt, dass der Verlust der Legierungselemente durch Zerstäubung im regulären Betrieb des Reaktors vernachlässigbar klein ist. Eine kritische Verarmung der Legierungselemente wird erst nach mehr als 10 Jahren Betrieb erwartet. Die optimierten W-11,4Cr-0,6Y Massivproben zeigten bei 1000°C die niedrigste Oxidationsrate im Vergleich mit anderen Wolfram-Basislegierungen. Diese niedrige Rate der W-11,4Cr-0,6Y Legierung wird zudem bei einem hohen Wolframanteil von 88 Gewichtsprozent erreicht. Die Oberflächenbelegung von Wolframoxiden auf der Chromoxidschicht nach Oxidation für 44 h in trockener Luft bei 1000°C ist auf 1% reduziert. Basierend auf dieser Oberflächenbelegung ist eine Reduktion der Sublimationsrate bei 1000°C auf etwa 30 g h⁻¹ indem oben beschriebenen Unfallszenario zu erwarten. Das entspricht einer Reduktion der stündlich mobilisierten Radioaktivität um annähernd zwei Größenordnungen auf etwa 1 × 10¹³ Bq. Dünnschichtproben und Massivproben werden in Oxidationsexperimenten bei Temperaturen von 800°C bis 1200°C bei Normaldruck in trockener und feuchter Luft untersucht. Weitere Glühexperimente in Ultrahochvakuum zeigen die Segregation von Chrom an die Oberfläche und Phasenbildung für beide Probenarten der W-11,4Cr-0,6Y Legierung. Mithilfe dieser Untersuchungen wird ein tieferes Verständnis des Oxidationsprozesses und des Einflusses von Chrom und Yttrium gewonnen.

Tungsten is the main candidate for the first wall in future fusion reactors, due to its high melting point, erosion resistance and other advantages. However, a loss-of-coolant accident combined with air ingress can lead to temperatures from 800°C to 1200°C on the first wall and to mobilization of radioactive tungsten oxides. For the reactor based on the technology available in the short term, temperatures of approximately 1000°C are expected in the event of such an accident. Calculations in this work predict that at 1000°C per hour, a tungsten mass of about 2 kg sublimates from the first wall (1000 m²). This corresponds to a mobilized activity of about 9 × 10¹⁴ Bq. To minimize mobilization in such an accident, a W-Cr-Y alloy is developed in the course of this work. This alloy forms a closed chromium oxide scale which protects tungsten underneath. The composition of the alloy is optimized to the lowest possible oxidation rate and highest tungsten content using thin film alloys, in order to maintain erosion resistance and melting point similar to pure tungsten. The result of this optimization for an oxidation temperature of 1000°C is a composition of 11.4 wt.% chromium and 0.6 wt.% yttrium (W-11.4Cr-0.6Y). Based on this composition, bulk samples are optimized for their microstructure by mechanical alloying of the elemental powders and Field-Assisted Sintering Technique (FAST). A diffusion simulation shows that the loss of alloying elements by sputtering during regular reactor operation is negligible. A critical depletion of the alloying elements is only expected after more than 10 years of operation. The optimized W-11.4Cr-0.6Y bulk samples exhibit the lowest oxidation rate at 1000°C as compared to other W-based alloys. This low rate of the W-11.4Cr-0.6Y alloy is also achieved at a high tungsten content of 88 wt.%. The surface coverage of tungsten oxides on the chromium oxide layer after oxidation for 44 h in dry air at 1000°C is reduced to 1 %. Based on this surface coverage, a reduction of the sublimation rate at 1000°C to about 30 g h⁻¹ can be expected in the accident scenario described above. This corresponds to an hourly reduction of the mobilized activity by approximately two orders of magnitude to ∼1 × 10¹³ Bq at 1000°C. Thin film and bulk alloys are investigated in different oxidation experiments at temperatures of 800°C to 1200°C at normal pressure in dry and humid air. Furthermore, annealing experiments in ultra-high vacuum show the segregation of chromium to the surface and phase formation for both sample types of the W-11.4Cr-0.6Y alloys. Based on these investigations, a deeper understanding of the oxidation process and the influence of Chromium and Yttrium is obtained.

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