Thermomechanical characterization of advanced ceramic breeder beds for fusion blankets
Creators: name: Pupeschi, Simone
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Breeder beds
Discrete Element Method modelling
thermal conductivity
uniaxial compression test
hot wire method
granular materials
thermomechanics
fusion

description: Ein Tritium-Brutblanket (BB) ist ein unverzichtbares Bauteil für den Fusionsdemonstrationsreaktor (DEMO), um die Selbstversorgung des Reaktors mit erbrütetem Tritium sicherzustellen. DEMO stellt die nächste Entwicklungsstufe nach ITER (Internationaler Thermonuklearer Experimenteller Reaktor [1]) dar. In ITER sollen sechs Modelle der sogenannten Testblanketmodule (TBMs) getestet werden, um sechs unterschiedliche Brutblanketkonzepte zu erproben. ITER wird erste experimentelle Daten zur Durchführbarkeit der BBs liefern. 
Gegenwärtig werden zwei europäische Tritium-Brutkonzepte (Feststoff-Brutblanket und Flüssigmetall-Brutblanket) für einen Test in ITER in Betracht gezogen. Im Feststoff-Brutblanket liegen das keramische Brutmaterial (Lithiumorthosilikat) und der Neutronenvervielfacher (Beryllium) in Form von dicht gepackten Kugelschüttbetten vor. Eine umfassende Kenntnis der thermischen und mechanischen Eigenschaften keramischer Kugelschüttbetten unter fusionsrelevanten Bedingungen ist wesentlich für die Konzeption der Brutblanketmodule zukünftiger Fusionsreaktoren. Auch wenn die Keramikschüttbetten keine strukturtragende Funktion haben, so müssen sie doch den mechanischen Spannungen, die beim Betrieb des Blankets entstehen, standhalten können. Ein Blanketmodul wird einer zyklischen Belastung durch die Brennphasen des Plasmas ausgesetzt sein. Temperaturgradienten und die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kugelschüttbetten und der Strukturmaterialien führen zu einer zyklischen Druckbelastung, welche auf die Schüttbetten einwirkt. Aufgrund der granularen Natur der Kugelschüttbetten, zeigt das einsetzte Material eine Abhängigkeit der thermischen Leitfähigkeit vom mechanischen Zustand (Packungsfactor, Spannungs-/Verformungszustand) sowie von der Art des Füllgases und seinem Druck. 
Das europäische Referenzbrutmaterial besteht derzeit aus einem, mittels eines Schmelzsprühverfahrens hergestellten, zweiphasigen Material. Bei den zwei Phasen handelt es sich um Lithiumorthosilikat und Lithiummetasilikat. Dieses Material wurde bereits gut charakterisiert. Allerdings gibt es angesichts der prozessinduzierten Defekte der Kugeln Bedenken hinsichtlich deren Bruchfestigkeit. Um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern, wurde am KIT eine neue Anlage für die ebenfalls schmelzbasierte Produktion von fortschrittlichen keramischen Brutkeramikkugeln (“Advanced Cermic Breeder” (ACB)) entwickelt und in Betrieb genommen. Durch den Einsatz von Lithiummetatitanat als Zweitphase anstelle von Lithiummetasilikat wird die mechanische Stabilität der Lithiumorthosilikatkugeln verbessert. 
Die vorliegende Dissertation befasst sich sowohl mit der experimentellen als auch mit der numerischen Charakterisierung der thermischen und mechanischen Eigenschaften von Kugelschüttbetten aus ACB-Keramiken unter fusionsrelevanten Bedingungen. Dazu wurde auf der Grundlage des transienten Heißdraht-Verfahrens (Hot Wire Method) eine Versuchsanordnung konzipiert. Mit dieser wird der Einfluss der Temperatur, mechanischer Kompressionsbelastung, sowie der Art und des Drucks des Füllgases auf die effektive thermische Leitfähigkeit der Kugelschüttbetten untersucht. Auch der Einfluss der chemischen Zusammensetzung (Gehalt an Lithiummetatitanat) wird untersucht. Uniaxiale Druckexperimente werden zusammen mit numerischen Simulationen mittels der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) durchgeführt, um den Einfluss von zyklischer Belastung auf das makro- und mikromechanische Verhalten der Schüttbetten zu untersuchen.