Combined steady state and high cycle transient heat load simulation with the electron beam facility JUDITH 2

Loewenhoff, Thorsten Werner; Singheiser, Lorenz

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-43133

Combined steady state and high cycle transient heat load simulation with the electron beam facility JUDITH 2 = Simultane statische und hochzyklisch transiente Wärmelastsimulation mit der Elektronenstrahlanlage JUDITH 2

Loewenhoff, Thorsten Werner (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thorsten Werner Loewenhoff

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangXVI, 108 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
2012-07-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-43133
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/197556/files/4313.pdf

Einrichtungen

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

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kernfusion (Genormte SW) ; ITER (Genormte SW) ; Thermische Belastung (Genormte SW) ; Thermische Ermüdung (Genormte SW) ; Zyklische Belastung (Genormte SW) ; Wolfram (Genormte SW) ; Elektronenstrahl (Genormte SW) ; Elektronenstrahltechnologie (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Transiente Belastung (frei) ; Schadensanalyse (frei) ; high heat flux (frei) ; thermal loads (frei) ; plasma facing materials (frei) ; transient heat loads (frei) ; electron beam (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 65.40.De * 28.52.Fa * 28.52.-s

Kurzfassung
Der steigende Weltenergiebedarf führt zur Zeit zu großen Anstrengungen bei Forschung und Entwicklung mit dem Ziel neue Energieressourcen zu erschließen. Eine mögliche Option zur Energiegewinnung in Großkraftwerken ist die Nutzung der nuklearen Fusion, die Wärme produziert welche mit konventioneller Dampfturbinentechnologie in Strom umgewandelt werden kann. Die praktische Umsetzung stellt jedoch eine große wissenschaftliche und technologische Herausforderung dar. Die entstehenden Wärmeflüsse, die die innere Wand einer Fusionsanlage und besonders den am stärksten belasteten Teil, den Divertor, treffen, sind eines der Themen die zur Zeit erforscht werden. Dabei wird zwischen statischem Hitzefluss (steady state heat load, SSHL), der während des Betriebs kontinuierlich wirkt, und transienten Wärmelasten (transient heat loads, THL), die dem SSHL überlagerte kurzzeitige Ereignisse darstellen, unterschieden. Die potentiell gefährlichsten THL während des normalen Betriebs sind Typ I Edge Localised Modes (ELMs). Sie werden im zukünftigen Fusionsexperiment ITER voraussichtlich Leistungsdichten von 1 - 10 GW/m² bei Pulsdauern von 0,2 - 0,5 ms erreichen. Aufgrund der hohen Wiederholrate werden mehr als 1.000.000 ELM-Ereignisse im Laufe der für die Divertorkomponenten vorgesehenen Lebensdauer erwartet. Es existieren jedoch nur Daten über das Verhalten von Materialien bei niedrigen Pulszahlen (typischerweise 100 - 1000). Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Verfahrens zur Simulation hochfrequenter THL mit Hilfe einer Elektronenstrahlanlage und die an Wolfram und kohlenstoffbasierten Materialien (carbon fibre composite, CFC) durchgeführten Experimente. Das Verfahren arbeitet mit einer Wiederholrate von 25 Hz, daher mussten aktiv gekühlte Komponenten entworfen und verwendet werden. Eine neue Art der Strahlführung, kreisförmige Belastungsmethode genannt, war ebenfalls ein Ergebnis des Entwicklungsprozesses. Sie wurde für alle nachfolgenden Tests benutzt, da Schwankungen von Parametern (z. B. der Kammerdruck) bei diesem Verfahren nur einen geringen Einfluss auf die aufgebrachte Leistungsdichte haben. Die Elektronenstrahlführung ist außerdem flexibel genug um zusätzlich zur THL eine SSHL zwischen zwei aufeinander folgenden THL aufzubringen. Das ermöglicht es die Grundtemperatur der Probenoberfläche zu beeinflussen. Die Materialtests wurden mit Pulszahlen von 100 - 1.000.000 und absorbierten Leistungsdichten von bis zu 0,55 GW/m² auf Wolfram beziehungsweise 0,68 GW/m² auf CFC durchgeführt. Die Oberflächengrundtemperatur wurde mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode zuvor berechnet und während der Versuche mit Pyrometern überprüft. Die Schädigungsgrenze von Wolfram liegt unter 0,27 GW/m², die von CFC unter 0,68 GW/m². Bei geringeren Leistungsdichten ließen sich keinerlei Schädigungen bei bis zu 1.000.000 (Wolfram) bzw. 100.000 (CFC) Pulsen feststellen. Im Gegensatz zu CFC kommt es bei Wolfram zu einer langfristigen Materialermüdung. Die Materialdegradation trat bei höherer Temperatur früher auf, obwohl ursprünglich erwartet wurde, dass Wolfram bei höheren Temperaturen aufgrund der höheren Duktilität widerstandsfähiger sei. Die naheliegende Erklärung hierfür ist, dass erhöhte Duktilität zu stärkerer Schädigung in Folge von Materialermüdung führt.

The increasing world energy needs lead to strong efforts in today's energy R&D trying to open up new energy resources. One possible option to access energy in large scale power plants is to use the process of nuclear fusion to generate heat and, from that, electricity with conventional steam turbine technology. However, the realisation is technologically and scientifically very challenging. The heat fluxes that load the inner walls of a fusion device, especially the most severely loaded part, the divertor, are one of the issues currently being under investigation. A distinction is made between steady state heat loads (SSHLs) that are continuously active during operation and transient heat loads (THLs) that are superimposed short-time events. The potentially most harmful THLs during normal operation are type I Edge Localised Modes (ELMs). They are estimated to have a power density of 1 - 10 GW/m² for 0.2 - 0.5 ms duration in the upcoming next step fusion experiment ITER. Because of high pulse repetition frequency more than 1,000,000 ELM events are expected during the foreseen lifetime of divertor components. However, only data regarding behaviour of materials for a low number of pulses (typically 100 - 1000) exists. This work describes the development of a procedure to simulate THLs at high repetition frequency using an electron beam facility and the tests done on tungsten and carbon-based (carbon fibre composite, CFC) plasma facing materials. The developed procedure uses a pulse frequency of 25 Hz, hence actively cooled components are necessary and were designed. A novel electron beam guidance procedure, called circular loading method, was a result of the developmental process. It was used for all later tests because it provides a stabilisation of the applied power density against test parameter fluctuations (e.g. vacuum quality). The electron beam guidance is flexible enough to provide a SSHL pattern during the interpulse time (between two successive THLs) additionally to the THL pulses. This allowed to influence the base temperature of the sample surface. The material tests were done with pulse numbers of 100 - 1,000,000 and absorbed power densities of up to 0.55 GW/m² and 0.68 GW/m² per pulse for tungsten and CFC materials respectively. The surface base temperature was predicted by finite element analyses and monitored by pyrometer measurements. Damage thresholds of the investigated tungsten and CFC were found to be < 0.27 GW/m² and < 0.68 GW/m² respectively. Below these power densities no damage/degradation was found for pulse numbers up to 1,000,000 (tungsten) or 100,000 (CFC). Tungsten showed long term fatigue, which did not occur in CFC. Although it was expected that tungsten would be more resistant at higher base temperatures due to higher ductility, it was found to show earlier degradation at higher temperatures. It is proposed that an increased ductility leads to stronger fatigue damage.

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