PFMC – Plasma Facing Materials and Components

Das Projekt "Plasmabelastete Materialien und Komponenten" befasst sich damit, die unterschiedlichen Aspekte der Plasma-Wand-Wechselwirkung, der Änderung von Materialeigenschaften unter Belastung sowie der Entwicklung und Charakterisierung neuer Materialien miteinander zu verbinden. Hieraus lassen sich die Materialanforderungen für zukünftige Fusionsanlagen ableiten.

Systematisch erzeugte Materialproben werden in Laborexperimenten Belastungen unterzogen, die den Bedingungen in Fusionsanlagen nahe kommen. Insbesondere sind dies Experimente zur Materialerosion, zu Adsorption und Desorption von Gasen und zur Beständigkeit unter thermischen Belastungen. Auf Basis dieser Ergebnisse kann über einen Einsatz in den Fusionsexperimenten des IPP (ASDEX Upgrade, Wendelstein 7-X) entschieden werden. Die Beurteilung des Materialverhaltens während des Einsatzes wie auch die Untersuchung der belasteten Komponenten nach dem Einsatz läßt Schlussfolgerungen zu, die eine weitere Materialoptimierung ermöglichen.

Über den direkten Bezug dieser Arbeiten zu den Fusionsanlagen des IPP hinaus stehen die Arbeiten im Zusammenhang mit dem ITER-Projekt, da Materialien, die in ASDEX Upgrade untersucht werden, auch direkt relevant für ITER sind und die thermischen Belastungen der Komponenten in Wendelstein 7-X den Belastungen von ITER weitgehend entsprechen.


Stand der Arbeiten und nächste Vorhaben
Im Rahmen des Projektes werden fünf Thematiken behandelt, die eine Schlüsselfunktion für das Verständnis der Plasma-Wand Wechselwirkung und für die weitere Entwicklung von Materialien haben. Die Struktur des Projektes wurde aktualisiert. Ein Themenbereich "Tritium-Inventar" wurde als neuer Schwerpunkt definiert, da die quantitative Behandlung und Fragen der Begrenzung des Tritium-Inventars zunehmend an Bedeutung gewinnen.

1. Oberflächenprozesse an plasmabelasteten Materialien

• Die Entwicklung von Materialmischungen und Phasenbildung bei Oberflächenbelegung von Wandmaterialien mit Plasmaverunreinigungen durch chemische Reaktionen und Transportprozesse wurde untersucht. Typische Beispiele sind die Untersuchungen der Carbidbildung von Kohlenstoffschichten auf Wolfram- und Berylliumsubstraten, die zu Oberflächenschichten mit stark verändertem Verhalten bei Ionenbeschuss führen. Die Bildungsprozesse von Wolframcarbid wurden auch im ternären System W-O-C untersucht. Gasförmige Verbindungen, wie CO und CO2 bzw. O2, führen zu Verlusten an Kohlenstoff und Sauerstoff.
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• Erosions- und Implantationsmessungen an verschiedenen Hoch-Z-Materialien bei Beschuss mit C⁺ Ionen im Temperaturbereich von 300 bis 1100 K: Das zur Interpretation verwendete Modell gestattet eine konsistente Beschreibung der experimentellen Resultate für die bisher untersuchten Materialien, wobei als Parameter nur Materialkonstanten wie Zerstäubungsausbeuten und Diffusionskoeffizienten eingehen. Das entwickelte Modell erlaubt die Vorhersage des Erosions- und Depositionsverhaltens im Randschichtplasma mit Verunreinigungskonzentration.
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• Die entsprechenden Laboruntersuchungen werden in speziell konzipierten Apparaturen sowohl am neuen Tandem-Beschleuniger, an der Hochstromionenquelle als auch an einer XPS-Apparatur durchgeführt. Methoden zur Oberflächenanalyse werden speziell unter dem Gesichtspunkt der Analyse von leichten Verunreinigungen in schweren Substraten weiterentwickelt.
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2. Material-Migration in Fusionsanlagen

• Wolframbeschichtungen, die während des Betriebs in ASDEX Upgrade am inneren Hitzeschild eingesetzt worden waren, wurden mittels Ionenstrahlanalysen hinsichtlich der Änderung ihrer Schichtstärke untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass auch an der ersten Wand von Fusionsanlagen die Materialerosion durch Ionen von wesentlicher Bedeutung ist. Hohe Ionenflüsse speziell während der Schlussphase einer Plasmaentladung ("ramp-down") übertreffen den Erosionseffekt durch Ladungsaustausch-Neutralteilchen während der gesamten Plasmaentladung.
  
  
• Erosion und Migration von Wandmaterialien sollen wie in ASDEX Upgrade auf zukünftig in Wendelstein 7-X untersucht werden. Dazu werden Langzeitsonden vorbereitet, die an der Gefäßwand angebrachtwerden sollen.
  
  
• Wolframbeschichtete Schutzkacheln, die in JET eingesetzt werden sollen, wurden hinsichtlich ihrer Schichtstärke untersucht und 2001 in JET eingebaut. Der Betrieb dieser Kacheln in der JET-Kampagne bis 2004 wird einen Vergleich mit vorhandenen Erosionsdaten von ASDEX Upgrade erlauben.
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3. Tritium-Inventar  

• Die Deposition von wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschichten (a-C:H) wird grundlegend untersucht in Abhängigkeit von Plasmaparametern, Oberflächentemperatur und Ionenenergie. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der experimentellen Bestimmung von Haftkoeffizienten verschiedener Kohlenwasserstoffradikalen und der Synergie zwischen Wasserstoffionen und -atomen mit gleichzeitig auftreffenden Kohlenwasserstoffradikalen.
  
  
• Der Punkt umfasst daneben Studien der Grundlagen von Wasserstoffimplantation und -inventar in Wolfram abhängig von Oberflächenkontaminationsschichten wie Oxiden und Karbiden. Die experimentellen Ergebnisse werden mit numerischen Rechnungen der Wasserstoffimplantation und -diffusion verglichen.
  
  
• Aluminiumoxidschichten, die für Diffusionsbarriereanwendungen in Frage kommen, wurden durch ein plasmabasiertes Lichtbogenverfahren synthetisiert. Über die Substrattemperatur und die Ionenenergie kann die kristalline Struktur der Schichten eingestellt werden. Zur genauen Temperaturführung während der Plasmaabscheidung wurde ein kombiniertes Messsystem (Pyrometer und Thermoelemente) eingesetzt.
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4. Materialherstellung und -charakterisierung

• Wolframschichten wurden für den Einsatz auf hochbelasteten Oberflächen in ASDEX Upgrade entwickelt. Es handelt sich um Beschichtungen von mm-Stärke, die mittels eines Plasma-Lichtbogenverfahrens auf kohlefaserverstärkten Kohlenstoffsubstraten (sog. CFC) aufgebracht wurden. Thermische Belastungstests in der JUDITH-Elektronenstrahlanlage des Forschungszentrums Jülich ergaben, dass die Beschichtungen Belastungen von 25 MW/m² für > 2 s standhalten können und somit für Limiteranwendungen in ASDEX Upgrade geeignet erscheinen.
  
  
• Borkarbidschichten auf einer separaten, gekühlten ersten Wand aus Edelstahl sind zum Schutz der Gefäßwand von W 7-X vorgesehen. Vakuumplasmaspritzen wurde zur Abscheidung von Beschichtungen mit Schichtstärken bis zu 0,5 mm eingesetzt. Die Restspannungen, die diesen Schichten aufgrund des Abscheideprozesses eingeprägt sind, konnten erstmalig mit der sog. "Bohrlochmethode" im Rahmen einer Kooperation mit dem Institut für Keramische Bauteile und Fertigungsverfahren der Universität Stuttgart bestimmt werden. Hierbei wurden Druckspannungen im Bereich von 50 bis 80 MPa ermittelt.
  
  
• Metalldotierte Graphitproben, die in Zusammenarbeit mit einem spanischen Forschungsinstitut (CEIT, San Sebastian) synthetisiert wurden, wurden hinsichtlich ihres thermischen Desorptionsverhaltens von Wasserstoff untersucht. Die Wasserstoffrückhaltefähigkeit wurde untersucht als Funktion der Graphitierungstemperatur, der Konzentration von offenen und geschlossenen Poren und des Dotierungsmetalls. Das thermisch desorbierte Deuterium wurde hierbei mittels kalibrierter Restgasanalyse detektiert.
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5. Component-Related Aspects

In this sub-project structure-mechanical study of plasma-facing components (PFCs) is performed. In general, an actively cooled PFC consists of plasma-facing armour (PFA) and a heat sink manifold containing coolant tubes. PFCs are in nature a multi-material system which can be processed either by joining or coating. Materials for PFCs must fulfil many stringent mechanical as well as physical requirements. In the same context, PFCs themselves must satisfy rigorous structural requirements, among which structural integrity, heat removal capability and lifetime (PFA/PFC) are primary issues. Hence, it is a natural consequence that materials selection and component design should be coupled with interacting linkages, that is, analysis and testing. Computational analysis and thermo-mechanical testing on PFCs are the main research activities in this sub-project. PFCs for near-future devices such as Wendelstein 7-X or ITER but also for future power-generating reactors are investigated.

In the framework of theoretical analysis, finite element method (FEM) equipped with implemented user-subroutines is the principal computational tool. Current theoretical studies include extended scientific topics: interfacial fracture mechanics, elasto-plastic micro-mechanics, three-dimensional shakedown analysis based on shakedown theorems, stress analysis based on non-isothermal cyclic visco-plasticity, continuum damage mechanics and indentation simulation, etc. FEM analysis combined with a complicated inelastic constitutive equation should be often preceded by materials parameter identification process, for which a series of mechanical testing and data fitting are necessary. Emphasis is placed on the failure assessment and design optimisation of advanced PFC concepts for reactor application. One of ongoing research objects is dual scale analysis of a PFC being locally reinforced with fibrous metal matrix composite laminate.

For experimental evaluation of PFC performance, high heat flux (HHF) test is usually applied. Either prototypical mock-ups or full-scale components are tested. HHF tests have been carried out at electron-beam facility, ion-beam facility or radiation heating facility installed in external laboratories. Structural integrity, material degradation and thermo-hydraulic behaviour are the major engineering concerns. Various diagnostic techniques are employed for in-situ tracking of heat transfer and failure evolution. The HHF simulation test is followed by metallographic or electron-microscopic post-mortem investigation for damage characterisation. Interpretation of experimental observations is supported by accompanying FEM analysis. A dual-gun ion beam irradiation facility generating maximum power of 1.1 MW is currently under construction in IPP. This HHF test facility equipped with IR cameras enables steady state operation (30 seconds) of large-size actively cooled components (2 m) in cyclic loading modes (100 pulses per hour).