W/Cu-Gradientenstrukturen für Komponenten mit unmittelbarem Plasmakontakt in Fusionsreaktoren

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Die Grundlagenuntersuchungen in diesem Vorhaben dienen der Entwicklung von Werkstoffkonzepten für die stationäre Abfuhr von sehr hohen Wärmeflüssen. Solche Belastungsbedingungen treten z.B. an plasmanahen Komponenten von zukünftigen Fusionsreaktoren auf. Das Ziel ist die Klärung des Einflusses eines Gradientenübergangs zwischen plasmaseitigem Wolfram und der Wärmesenke aus einer CuCrZr-Legierung auf die Verringerung thermisch bedingter Spannungen in den durch den Wärmefluss und Temperaturwechsel höchstbelasteten Bauteilen. Im Rahmen des Projektes sollen die Herstellungswege der Gradientenbauteile erforscht, der Belastungsfall analysiert und die auf der Basis lokaler Werkstoffkennwerte ausgelegten Modellkomponenten anwendungsrelevanten Tests unterzogen werden. Dazu wurde im ersten Projektzeitraum eine Vielzahl von geeigneten Modell-Proben mit unterschiedlichem W/CuCrZr-Konzentrationsverhältnis hergestellt und daran die zur Verifizierung der FEM-Modellierung notwendigen ortsabhängigen Werkstoffkennwerte bestimmt. Diese zeigen vor allem anhand der erhöhten mechanischen Eigenschaften den positiven Einfluss der CuCrZr-Legierung im Vergleich zu reinem Kupfer. Die Ergebnisse der FEM-Simulationen sind äußerst vielversprechend, da sie in weiten Teilen sehr gut mit den experimentell bestimmten Kennwerten übereinstimmen. Basierend auf diesen Ergebnissen und der noch zu entwickelnden Technologie zur W/CuCrZr-Gradienten-Modellbauteilherstellung werden im zweiten Teil des Projektes mit Hilfe von FEM-Modellierungen zur Geometrie und Zusammensetzung des gradierten Überganges anwendungsoptimierte W/CuCrZr-Gradientenwerkstoffe hergestellt und diese im Bezug auf die Gefügecharakteristika, das Gradientenprofil bzw. die thermischen Eigenschaften umfassend charakterisiert. Die optimierten Gradientenwerkstoffe werden in geeignete Modellbauteile integriert und in anwendungsnahen Versuchen getestet. Aus den so ermittelten Eigenschaftsprofilen werden in Kombination mit den Ergebnissen der FEMModellierungen in iterativen Schritten Rückschlüsse auf eine weitere Verfahrens- und Werkstoffoptimierung gezogen.