Materialprüfung an radioaktiven Materialien für die Kernfusion

Die Erforschung der Fusion als Energiequelle soll uns Wasserstoffisotope als neuen, sauberen Brennstoff für unsere zukünftige Energieversorgung erschließen. Die Physik hinter dieser Energiequelle ist kompliziert. Die eigentliche Herausforderung liegt derzeit aber in der Entwicklung von Materialien, die den extremen Belastungen innerhalb der Reaktoren mit ihren 100 Millionen Grad heissen Plasmen und höchsten Teilchen- und Neutronenströme widerstehen müssen.
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Die Grundanforderungen an die Materialien sind auch ohne die Besonderheiten der Kernfusion enorm: bis zu 10 MW/m², Betriebstemperaturen bis 1000 °C und mehrere 10.000 thermische Zyklen mit Steigungen von teils über 100 K/min. Hinzu kommen in der Fusion Wasserstoff- und Heliumversprödung, Strahlenschäden bis zu 100 DPA (jedes Atom im Material wird 100 mal angestoßen und umgesetzt) und transiente Ereignisse mit Frequenzen >10 Hz. Der Einfluss dieser Belastungen auf die Materialeigenschaften wird im Institut für Energie- und Klimaforschung am Forschungszentrum Jülich GmbH an verschiedensten Materialien getestet.

Hierbei ist insbesondere die instrumentierte Eindringprüfung von Zwick Roell ein mächtiges Werkzeug. Aufgrund des großen Aufwands von Experimenten zur Strahlenschädigung von Materialien stehen nur kleine Proben im mm-Bereich sowie in geringen Stückzahlen zur Verfügung. Im Institut eigens optimierte oder neu entwickelte Materialien auf Basis von Wolfram und Eisen stehen auch ohne Strahlenschädigung oft ebenfalls nur in geringen Mengen zur Verfügung. Klassische mechanische Tests scheiden also vielfach aus. Die instrumentierte Eindringprüfung erlaubt aber trotzdem eine Vielzahl von Materialparametern mit guter Statistik zu ermitteln und ist somit zu einem de-facto Standard in diesem Forschungsfeld geworden.

Im Labor für Hochtemperaturmaterialien des Instituts für Energie- und Klimaforschung wird deshalb eine neue zwickiLine 2,5 ZHU in einer heißen Zelle installiert. Hier sollen in Zukunft Materialien aus internationalen Forschungsreaktoren, Fusionsreaktoren und dem lokalen Zyklotron zusammenlaufen und analysiert werden. Das Labor vereint dabei mechanische, thermische und physikalische Analytik unter einem Dach. Kurze Wege und ein hochintegriertes Labor sind insbesondere für hochradioaktive Proben dabei eine große Stärke des Standorts in Jülich. Die speziell angepasste zwickiLine erlaubt die Integration in die kompakte, heiße Zelle und mit einem vollständig von außen steuerbaren Experimentablauf. Dabei bleibt die empfindliche Elektronik des Gerätes außerhalb der Zelle und so vor der extremen Strahlung der Proben von bis zu 100 GBq geschützt. Neue Softwareoptionen des Inspector X erlauben aus der Eindringprüfung zusätzliche Materialparameter zu bestimmen und Materialien so noch umfangreicher vor ihrem Einsatz in Fusionsreaktoren zu qualifizieren.

Autor: Dr. Sören Möller, Tel.: +49 2461 61 2963, e-mail: s.moeller@fz-juelich.de

Abbildungen © FZ Jülich


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