Fusionswerkstoffe Modellierung und Experimente
Die Arbeitsgruppe untersucht die Verknüpfung mikrostruktureller Veränderung mit den mechanischen Eigenschaften von Materialien für plasmabelastete Komponenten
Für den langfristigen Betrieb zukünftiger Fusionskraftwerke ist die Entwicklung plasmabelasteter Komponenten (engl. plasma-facing component, PFC) eine zentrale Herausforderung. PFCs müssen den extremen Bedingungen der Fusionsumgebung standhalten können. Dazu gehören unter anderem ein hoher Wärmefluss, Neutronenbeschuss und Wechselwirkungen mit Helium- und Wasserstoffisotopen.
Die kombinierten Belastungen in einem Fusionsreaktor können zu einem Versagen der Materialien einer PFC führen. Das Materialverhalten wird maßgeblich von der Mikrostruktur bestimmt: Faktoren wie Korngröße, Phasenverteilung, Verunreinigungen und Defektdichte bestimmen die Fähigkeit des Materials, Belastungen ohne katastrophales Versagen aufzunehmen. Die kombinierten Belastungen haben einen unverhältnismäßig großen Einfluss auf die Entwicklung der Mikrostruktur und damit auf die mechanischen Eigenschaften. Die Vorhersage, wie diese Wechselwirkungen zum Versagen von Materialien beitragen, ist für die Bewertung der Langlebigkeit und Zuverlässigkeit von Bauteilen von entscheidender Bedeutung. Derzeitige Materialprüfungen konzentrieren sich in erster Linie auf isolierte Faktoren wie hohe Wärmeflüsse oder Bestrahlung, wobei der kombinierte Einfluss mehrerer gleichzeitiger Belastungen oft vernachlässigt wird.
Aufgrund begrenzter Versuchseinrichtungen sind derzeit keine umfassenden kombinatorischen Tests möglich. Daher ist das derzeitige Verständnis der Materialleistung unter fusionsrelevanten Bedingungen unvollständig und der Weg zur industriellen Qualifizierung von Materialien für Fusionsreaktoren ungewiss. Die Arbeitsgruppe arbeitet an der Entwicklung und Validierung von Computermodellen, die die Veränderung der Mikrostruktur mit den mechanischen Eigenschaften von Fusionswerkstoffen korrelieren. Diese können dann die Leistung von Komponenten unter kombinierter Belastung vorhersagen. Diese Arbeit wird durch die Integration von experimentell validierten Modellen und Simulationen erreicht werden, um vorherzusagen, wie sich die mechanischen Eigenschaften mit mikrostrukturellen Veränderungen in PFC-Materialien entwickeln. Hierunter fällt die Entwicklung und Durchführung von Experiment und Computermodellen.