Erosionsuntersuchungen mit GLADIS

Die besondere Belastung von Bauteilen, die der Einwirkung des Plasmas ausgesetzt sind, werden im Teststand GLADIS unter definierten Bedingungen nachvollzogen.


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Blick in den mit massiven Wolfram-Platten ausgestatteten Divertor von ASDEX Upgrade.

Voraussichtlich wird Wolfram in Fusionskraftwerken als Schutzmaterial für Bauteile verwendet werden, die dem Plasma zugewandt sind. Insbesondere die Bauteile des Divertors sind einem starken Aufprall von Plasmateilchen – Wasserstoff sowie in einem Kraftwerk auch das Fusionsprodukt Helium – und damit auch einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt. Diese Teilchen- und Wärmebelastung der Divertorbauteile kann in der IPP-Testanlage GLADIS (Garching Large Divertor Sample Test Facility) im Detail untersucht werden.

Hier können Bauteile aus Wolfram mit Teilchen- und Wärmeflüssen bis zu 40 Megawatt pro Quadratmeter belastet werden. Schon bei wenigen Prozent Helium, die dem Wasserstoff zugemischt werden, bilden sich an den Oberflächen der getesteten Bauteilen komplexe Strukturen aus, die den Verschleiß und damit die Lebensdauer beeinflussen können. Untersucht wird insbesondere, wie sich die oberflächennahe Morphologie ändert, das Erosionsverhalten und die Menge der im Material zurückbleibenden Wasserstoff- und Heliumatome.

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Elektronenmikroskopische Aufnahme einer ehemals glatt polierten Wolframoberfläche nach GLADIS-Tests, bei denen Oberflächentemperaturen bis zu 2000 °C erreicht wurden. Der Größenbalken rechts unten zeigt 1 Mikrometer an.

Mit GLADIS werden unterschiedlichste Wolfram-Materialen und -legierungen getestet, so auch Pulver-Spritzguss-Bauteile, deren Herstellung am KIT in Karlsruhe erforscht wird.

Das im Material nach der Belastung zurückgebliebene Inventar an Wasserstoff lässt sich per Ionenstrahlanalyse am Tandembeschleuniger des IPP bestimmen. Weil das temperaturabhängige Ausgasen mit IPP-eigenen Computermodellen gut beschrieben werden kann, können die experimentellen Ergebnisse in die Vorhersage des Wasserstoffisotopen-Haushalts künftiger Kraftwerke einfließen. Ziel ist es unter anderem, Strukturveränderungen und Erosion vollständig zu modellieren, um die Lebensdauer von Divertor-Bauteilen besser abschätzen zu können.

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