Performance of metallic and carbon-based materials under the influence of intense transient energy deposition

In zukuenftigen Fusionsreaktoren des Tokamak-Typs werden die an das Plasma grenzenden Materialien unter transienten thermischen Belastungen wie Edge Localized Modes (ELM), Plasma- Disruptionen und vertikalen Plasma-Instabilitaeten (VDE), lokal mit hohen thermische Belastungen beaufschlagt. Unter diesen Bedingungen koennen Rissbildung, thermische Erosion, und Rekristallisation auftreten, welche katastrophale Schaedigungen im Werkstoff zur Folge haben koennen. Die Bildung von Staeuben, hervorgerufen durch Verdampfung und die Emission fluessiger sowie fester Partikel und die damit verbundene Plasma-Verunreinigungen stellen ein weiteres Problem dar. Um die Lebensdauer der Komponenten abschaetzen zu koennen, wurden an typischen Wandmaterialien mit Hilfe von Elektronenstrahlanlagen solche Belastungen simuliert. Aufgrund dieser Experimente konnten Aussagen bezueglich thermischer Erosionsmechanismen, Werkstoffverhalten und der Eignung von Refraktaermetallen bzw. Werkstoffen auf Kohlenstoffbasis getroffen werden. Des weiteren wurde eine Kalibrierung des Elektronenstrahls durchgefuehrt. Erosionsszenarien wurden fuer reines Wolfram und Werkstoffe auf Kohlenstoff-Basis erstellt. Im Falle von Wolfram, wird die thermische Erosion durch die Konvektion der Schmelze und starke Verdampfung in Verbindung mit Siedeprozessen initiiert. Zusaetzlich wurde in den Experimenten die Bildung einer Dampfwolke beobachtet, woraus auf eine Abschirmung der Oberflaeche durch den Ablationsdampf gegen den Elektronenstrahl geschlossen wird. Anhand von Versuchen an verschiedenen hoch-Z Materialen wurde ermittelt, dass reines Wolfram unter fusionsrelevanten Bedingungen, die hoechste Resistenz gegenueber Thermoschocks aufweist und daher fuer die Komponenten in Tokamak Fusionsreaktoren am besten geeignet ist. Weiterer Versuche ergaben, dass eine kastellierte Struktur im Vergleich zum massiven Werkstoff in der Lage ist, die Rissbildung weiter zu reduzieren. Fuer Kohlenstoffe (Graphit, faserverstaerkte Kohlenstoff-Werkstoffe (CFCs), und Si-dotiertes CFC) wurden die Erosionseffekte bei unterschiedlichen Belastungen und variierender Partikelemission untersucht. Die emittierten Partikel wurden mit unterschiedliche Verfahren charakterisiert. Fuer die hier verherrschende 'Brittle Destruction' die letztendlich eine Kombination von mehreren Prozessen wie Sublimation, Rissbildung und Emission fester Partikel darstellt, wurden Bereiche fuer die Emission ''kleiner'' und ''grosser'' Partikel identifiziert. Fuer diese Bereiche konnte die Partikelgroesse mit der maximalen Erosionstiefe korreliert werden. Die durch Erosion hervorgerufenen Oberflaechenveraenderungen auf den getesteten Proben und die Morphologie der emittierten Partikel sind fuer die drei Kohlenstoff-Werkstoffe unterschiedlich. Fuer die beiden Werkstoffgruppen Kohlenstoff und Wolfram gilt gemeinsam, dass ein Vorheizen der Proben zu einem Anstieg der Materialschaedigung, wie z.B. Gewichtsverlust und/oder Kraterbildung fuehrt.Intense energy is deposited on localized areas of the plasma facing materials under transient thermal loads such as edge localized modes (ELMS), plasma disruptions or vertical displacement events (VDEs) in a magnetic confined fusion reactor. Crack formation, thermal erosion and redeposition mainly take place under these conditions and may cause catastrophic damage in the materials. Dust formation associated with evaporation and liquid or solid particles emission are also serious issues to influence plasma contamination. In order to estimate the lifetime of the components during above mentioned events (ELMS, disruptions, VDEs), the thermal erosion mechanisms and performance of carbon-based and high Z materials have been investigated using energetic electron beam facilities. Moreover, a thorough calibration of an electron beam in the high heat flux facility JUDITH was done. For the evaluation of erosion data obtained in different test facilities several factors have to be taken into account. Different material erosion processes at identical heat loads induced by different facilities take place due to different beam generation and beam modes (static/scanned beam). The different degradation processes were created by different surface tensions and vapor recoil pressures at local spots in the loaded area. Molten and re-solidified material remained within the loaded area by fast scanning of the electron beam in JUDITH, which leaded to a rippling surface. Erosion scenarios have been elucidated on pure W and carbon-based materials. For W, the thermal erosion is initiated by convection of melt, strong evaporation or boiling processes. Moreover the formation of a vapor cloud was observed in the simulation experiments indicating vapor shielding on the surface. From screening tests on different high Z materials, pure W was found to show the highest resistance against thermal shock under plasma disruption conditions and are suitable for the components in Tokamak fusion reactors. A castellated structure was found to help reducing crack formation compared to monolithic structure. For carbon-based materials (isotropic graphite, carbon fiber composites (CFCs), Si-doped CFC), material erosion in different particle emission regimes, and characterization of emitted particles have been studied. ''Small'' and ''Big'' particle emission regimes have been identified under brittle destruction, which represents the combined action of sublimation, crack formation and ejection of solid particles. These regimes were related to the ejected particle size and maximum erosion depth. The resulting erosion patterns on the test samples and the morphology of the ejected particles differ significantly for the three materials. For both carbon and tungsten, preheating of samples before loading enhances material damages such as weight loss and crater formation.Available from TIB Hannover: RA 831(4137) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekSIGLEDEGerman