Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3777
Scheerer, Michael; Linke, Jochen
Entwicklung und Analyse von hochbelasteten Komponenten für Divertoren künftiger Fusionsanlagen
136 S., 2000
Um die Eigenschaften und die Plasma-Wand-Wechselwirkung in einer Stellarator-maschine mit Divertor zu testen, befindet sich derzeit das Projekt Wendelstein 7-X als Weiterentwicklung von W7-AS im Beginn der Bauphase. Als thermisch höchstbelastete Komponente wird der Divertor in W7-X Leistungsdichten bis maximal 10 MW/m2 für Pulsdauern von bis zu 1000s ausgesetzt sein. Aus Sicherheitsgründen sollen die Targetelemente im Divertor eine maximale Leistungsdichte bis 12 MW/m2 und kurzzeitige Fehlbelastungen von 15 MW/m2 ohne Schädigung abführen können. Bedingt durch die Lage der Kryopumpen an der Rückseite der Divertorprallplatten ist eine Kühlmittelumkehrung notwendig. Unter diesen Randbedingungen wurde ein Targetelement, alternativ zum vorhandenen Flachziegelkonzept, entwickelt, analysiert und getestet.
Durch die Analyse des thermischen und mechanischen Verhaltens bei der Nennlast von 10 MW/m² nach der Methode der Finiten Elemente, werden die Querschnittsgeometrie und mögliche Materialien zur Realisierung der Targetelemente festgelegt. Aufgrund der niedrigsten Oberflächentemperatur von 830°C, des geringsten Wärmeflusses am Kühlrohr und den geringsten im Kohlefaser verstärktem Graphit (CFC-Material) induzierten Spannungen wird das sogenannte Monoblockkonzept mit einem Kühlrohrabstand von 26 mm bestehend aus Dunlop DMS704 oder SEP N11 gelötet auf eine Wärmesenke bestehend aus zwei parallelen OFCu-Rohre zur Realisierung der Bauteile gewählt. Die Verbindung der Rohre mit dem CFC erfolgt durch Aktivlöten mit vorübergehend flüssiger Phase. Diese Lotphase entsteht durch Wechselwirkung einer dünnen, auf die Rohre abgeschiedenen Schicht aus Titan mit der äußeren Schicht der Kupferrohre unterhalb der Schmelztemperatur von Kupfer. Wärmeflußtests in der Elektronenstrahlanlage TSEFEY und der Ionenstrahlanlage MARION, zerstörungsfreie und metallographische Untersuchungen zeigen, daß die Hauptursache für das Auftreten von Lotdefekten im Fehlen von ausreichend flüssiger Lotphase liegt. Um dies zu vermeiden muß ein möglichst geringer Lotspalt bei Raumtemperatur eingehalten und zusätzlich Lotdepots an der belastungsabgewandten Seite zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen angebracht werden. Ein unter diesen Randbedingungen gefertigter Bauteil konnte in Wärmeflußtests bis zu einer Belastung von 10,5 MW/m² erfolgreich getestet werden. Ab dieser Leistungsdichte kommt es zu einem Versagen der Kühlung und einer massiven Rißbildung im CFC parallel zu den Faserebenen. In prototypischen Targetelementen werden deshalb verdrillte Bänder (twisted tapes) zur Erhöhung des Wärmeüberganges eingebaut. Nach Berechnungen wird ein twisted tape mit einer Twistrate von 2 zur Erhöhung der Kühleffizienz ausgewählt. Bei einer Kühlmittelgeschwindigkeit von 10 m/s kann eine Vorschädigung der CFC-Cu-Fügeflächen von etwa 25 % toleriert werden, so daß der kritische Wärmefluß am Kühlrohr bei einer Fehlbelastung von 15 MW/m² und die maximale Oberflächentemperatur von 1400°C bei 10 MW/m² unterschritten und eine Zerstörung des CFC's verhindert werden. Um die für den Lötprozess notwendigen Fertigungstoleranzen einzuhalten, erfolgt die Realisierung der Kühlmittelumkehr prototypischer Targetelemente durch ein spezielles Kupferelement, das durch ein angepaßtes Formstück aus CFC vor dem Plasma geschützt wird. Um eine ausreichende Benetzung der CFC-Cu-Fügeflächen zu erreichen, wird eine große Anzahl an Lotdepots an der belastungsabgewandten Seite des Bauteils angebracht. Zyklische thermische Belastungen bis zu einer Leistungsdichte von 10,5 MW/m² in bestimmten Bereichen der Targetelemente bestätigen das Einsatzverhalten der Targetelemente bei Nennlast und damit das Einsatzverhalten unter fusionsrelevanten Bedingungen. Selbst in Bereichen mit Vorschädigung kann keine Verschlechterung des thermischen Verhaltens festgestellt werden, was die strukturelle Integrität der Bauteile bestätigt.
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