Thermal shock behaviour of different Tungsten grades under varying conditions

Thermonukleare Fusionskraftwerke sind eine vielversprechende Möglichkeit, die Energieversorgung zukünftiger Generationen zu sichern. Allerdings stellt sie uns in vielen Forschungsbereichen vor enorme Herausforderungen. Ein großer Schritt hin zu einem Prototyp eines Fusionsreaktors (DEMO) wird ITER sein, welcher zurzeit in Cadarache in Südfrankreich gebaut wird. Eine der schwierigsten Aufgaben stellt hierbei die Auswahl von geeigneten Werkstoffen dar und ganz besonders die der dem Plasma zugewandten Materialien (plasma facing material, PFM). PFMs, die in einer Anlage wie ITER zu Einsatz kommen, müssen nicht nur extremen stationären und transienten thermischen Belastungen standhalten, sondern auch hohen Wasserstoff-, Helium- und Neutronenflüssen widerstehen. Materialien, die für eine solche Anwendung in Frage kommen, sind Beryllium, Wolfram und Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff (carbon fibre composite, CFC). Wolfram ist der vielversprechendste Werkstoff für eine Anwendung im Bereich des Divertors, wo die extremsten Belastungsbedingungen herrschen und wird aller Wahrscheinlichkeit nach auch als PFM in DEMO Verwendung finden. Aus diesem Grund konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf die Untersuchung des Thermoschockverhaltens verschiedener Wolframsorten unter ITER und DEMO relevanten Belastungszuständen, um die zugrundeliegenden Schädigungsmechanismen zu verstehen und Materialeigenschaften zu identifizieren, welche dieses Verhalten beeinflussen. Hierzu wurden sowohl die mechanischen und thermischen Eigenschaften, als auch die Mikrostruktur von fünf industriell hergestellten Wolframsorten charakterisiert. Anschließend wurden alle fünf Materialien bei Temperaturen zwischen RT und 600 °C in der Elektronenstrahlanlage JUDITH 1 transienten thermischen Belastungen mit Leistungsdichten von bis zu 1,27 GWm−2 ausgesetzt. Um ein weites Spektrum an Belastungsbedingungen abzudecken und eine übermäßige Arbeitsbelastung der Testanlage zu vermeiden, wurde die maximale Zyklenzahl auf 1000 begrenzt. Die Ergebnisse dieser Experimente ermöglichten es, unterschiedliche Schädigungs- und Rissgrenzwerte für die verschiedenen Materialien festzulegen, sowie bestimmte Materialeigenschaften zu identifizieren, die einen Einfluss auf die Lage dieser Grenzwerte und die Ausprägung der verursachten Schädigungen haben. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass nicht nur die unterschiedlichen Zusammensetzung der Materialien, sondern auch die Mikrostruktur und die Rekristallisation des Materials einen wesentlichen Einfluss auf die Thermoschockschädigung hat, wie z. B. den Rissverlauf und die Oberflächenaufrauung.