Qualifizierung und Qualitätssicherung von Wandmaterial

Fusionsreaktor ITER

In Südfrankreich entsteht in einem internationalen Projekt der Forschungsreaktor ITER. Die Fusionsanlage wird mit ihrer Fertigstellung die größte ihrer Art sein. Ihr Ziel ist es, Energie durch das physikalische Prinzip der Fusion zu gewinnen, um deren wissenschaftliche wie technische Machbarkeit zu demonstrieren. TÜV Rheinland beteiligt sich an diesem einmaligen Projekt durch die Qualifizierung und Qualitätssicherung des Wandmaterials.

Kein Tag vergeht derzeit in Deutschland, ohne dass die Zukunft der Energiegewinnung in Politik, Wirtschaft oder Wissenschaft diskutiert wird. Doch während hierzulande der Fokus noch auf der Umsetzung der Energiewende liegt, wird andernorts bereits an der Gewinnung von Energie aus bislang noch unzugänglichen Quellen geforscht. Ein großer Favorit für die Sicherstellung der Energieversorgung in nicht all zu ferner Zukunft ist das physikalische Prinzip der Fusion. Dafür wird ein Gas, wie zum Beispiel ein Gemisch aus schwerem und überschwerem Wasserstoff, so stark erhitzt, dass Plasma entsteht. Dieses wird mithilfe einer Kombination unterschiedlich ausgerichteter Magnetfelder eingeschlossen und gebündelt. In dieser auch Tokamak-Käfig genannten räumlichen Begrenzung wird das Plasma weiter angeheizt und verdichtet, bis es eine Temperatur und Teilchendichte erreicht, bei der in nennenswertem Umfang Fusionsreaktionen entstehen.

Mit dem Ziel erstmals eine positive Energiebilanz aus einer kontrollierten Fusion zu erzeugen, wird derzeit in Südfrankreich der Fusionsforschungsreaktor ITER unter Beteiligung der EU, der USA, China, Russland, Japan, Südkorea und Indien gebaut. ITER soll es Forschern und Ingenieuren ermöglichen, die Technologie unter realen Bedingungen zu erproben. Das erste Plasma zur Energieerzeugung auf Basis der Deuterium-Tritium-Fusion ist bis zum Jahr 2027 vorgesehen.

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Zur Errichtung des Reaktors stellt jedes Teilnehmerland eigene Komponenten entsprechend eines vereinbarten Bauplans zur Verfügung, indem es die nationale Industrie sowie Forschungszentren mit deren Entwicklung und Produktion beauftragt. In Deutschland wurde der Auftrag der Qualifizierung und Qualitätssicherung einer bereits in früheren Versuchen identifizierten Materialoption für die inneren Reaktorwände von Fusion for Energy (F4E, das Europäische Gemeinschaftsunternehmen für ITER und die Weiterentwicklung der Energieerzeugung mittels Fusion) an TÜV Rheinland vergeben.

Bild 1: ITER-Blanket-System ist eine schematische Darstellung des Fusionsreaktors und seines inneren Aufbaus. Gelb ist das Plasmagefäß mit den Platten (Panels), grün die Kühlkreisläufe, rosa die magnetischen Systeme und grau die stählerne Struktur. Außerdem sind die vielfältigen Messsysteme angedeutet. Zum Größenvergleich ist rechts unten ein Mensch dargestellt.

Neutronen und Hitze belasten Material
Das Wandmaterial gehört zu jenen Komponenten, die am stärksten den Einflüssen des Fusionsplasmas ausgesetzt sind. Schäden verursachen vor allem der vom Plasma ausgehende hohe Neutronenfluss sowie ein Wärmefluss von bis zu 4,7 MW/m2. Durch sie werden die Eigenschaften aller Komponenten, aber insbesondere jene der Metallverbindungen der 218 eingebauten NHF-Panel (Normal-Heat-Flux-Panel, die für einen normalen Wärmefluss geeignet sind) in Mitleidenschaft gezogen. Die Herausforderung liegt daher darin, das Wandmaterial auf seine Lebensdauer und Elastizität nach einer bestimmten Strahlungsbelastung zu überprüfen. Erst nachdem das Wandmaterial qualifiziert wurde, kann der Bau der inneren Reaktorwände beendet werden.

Das der Untersuchung zugrunde liegende Wandmaterial besteht aus einem Verbund von Edelstahlplatten, die beim sogenannten Hot Isostatic Pressing (HIP) durch hohen Druck und bei Temperaturen von bis zu 1040 °C mit einer Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung (CuCrZr) und Berylliumkacheln (BE) zusammengefügt werden. Es ist insbesondere die CuCrZr-Legierung und ihre dauerhafte Verbindung mit der Edelstahlstruktur, die einen wesentlichen Einfluss auf die Eignung des Materialverbundes hat. Denn CuCrZr verfügt über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine gute Zähigkeit und erweist sich als äußerst robust gegenüber Strahlungsschäden. Dringend benötigte Eigenschaften angesichts der Tatsache, dass das Wandmaterial innerhalb des Reaktors zur Abfuhr eines Teils der erzeugten Fusionsenergie sowie dem Schutz der weiter vom Plasma entfernten Stahlstrukturen dient. Dabei ist es besonders hohen Belastungen ausgesetzt. Zu diesen zählen zum Beispiel:

Hoher Wärmefluss
Durch die im Plasma ablaufenden Fusionsprozesse entstehen Wärmeflüsse im Bereich von bis zu 4,7 MW/m2. Diesen muss das Wandmaterial ohne größere Veränderungen seines Gefüges standhalten.

Bild 2: ITER wall panel stellt den schematische Aufbau einer Platte (Panel) dar, wie sie zum inneren Schutz des Plasmagefäßes vorgesehen sind. Grün dargestellt ist die oberste Berylliumschicht, gelb die darunter liegende CuCrZr-Schicht und weiß die Stahlstruktur (der Verbund der beiden letzteren Materialien wurde in dem Projekt untersucht). „Central beam“ bezeichnet hier die zentrale Edelstahlgrundplatte eines Panels, das wiederum innen auf die Plasmagefäßwand aufgeschraubt wird („beam“ ist hier also als „Träger“ zu verstehen).

Materialspannungen durch elektromagnetische Wechselwirkungen
Durch den hohen Wärmefluss kann es zu Materialspannungen als Folge von Temperaturunterschieden und unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der einzelnen Materialien kommen. Dies kann zu Schäden und Rissen zwischen den Schichten oder sogar im Material selbst führen. Daraus kann eine Behinderung des Wärmeflusses resultieren, die wiederum noch größere Temperaturunterschiede erzeugt. Ähnliche thermische Ausdehnungsbedingungen sind daher eine Grundvoraussetzung für die Legierung.

Neutronenversprödung
Das Material wird zudem einem zyklischen, hohen Fluss von energiereichen Neutronen ausgesetzt sein. Diese haben ein hohes Schädigungspotenzial und können sowohl die Materialstruktur als auch die Materialatome selbst verändern. Dies kann über einen längeren Zeitraum hinweg unter anderem zur Versprödung und letztendlich zum Ausfall der Materialien führen.

Plasma-Wand-Interaktion
Das Wandmaterial wird durch den Kontakt mit dem Plasma ähnlich einem Schmirgelpapier abgerieben. Dabei entsteht Staub, der zu einem erhöhten Energieverlust aus dem Plasma und damit zu einer Schwächung des Fusionsprozesses führt. Daher sollte das verwendete Material möglichst über eine erhöhte Robustheit gegenüber dem Einfluss des benachbarten Plasmas verfügen.

Bild 3: Proben, die für den Kriechtest (die oberen zwei Reihen) und den Zeitstandsversuch (untere Reihe) verwendet wurden.

Zyklische Belastung
Im Testbetrieb und auch später im regulären Betrieb wird der Fusionsreaktor zyklisch verschiedene Betriebszustände durchlaufen. Dazu zählen etwa das Erzeugen und Einspeisen von Plasma sowie dessen Erhitzen und der Fusionsprozess selbst. Dadurch ist das Wandmaterial fortwährend minimalen und maximalen Belastungen ausgesetzt, die Einfluss auf die Lebensdauer haben.

Qualitätssicherung als wichtige Voraussetzung
Die Untersuchung des Wandmaterials findet in mehreren Phasen statt, die von einem umfangreichen Qualitäts- und Qualifizierungsprozess begleitet werden: TÜV Rheinland ist beauftragt, die Materialproben zu entnehmen und sogenannte „kalte Tests“ (Referenztests) an einem Teil dieser Proben durchzuführen. Für die Bestrahlung der anderen Proben und den damit verbundenen „heißen Tests“ ist das belgische Studienzentrum für Kernenergie SCK.CEN im belgischen Mol zuständig.

Bei den „heißen“ und „kalten“ Materialtests handelt es sich jeweils um Zeitstandversuche und Kriechtests. Zwei in der Forschung durchaus gängige Methoden. Aufgrund der Verwendung von Kleinstproben und hohen Temperaturen bei der Testdurchführung treffen die TÜV Rheinland-Experten allerdings schon beim Versuchsaufbau auf Herausforderungen. Denn festgelegte Standards für die Arbeit mit den Kleinstproben gibt es nicht. Sie müssen im Rahmen der Versuche erst entwickelt werden.

Umso wichtiger ist die qualifizierte Dokumentation aller Versuchsschritte. Dabei fällt besonders ins Gewicht, dass die Anfertigung der Materialproben in der erforderlichen Präzision sehr aufwendig und ihre Anzahl und Größe genaustens vorgegeben ist. Sie werden in Stiftform aus einem vorbereiteten Materialblock entnommen und dürfen eine maximale Länge von 27 mm bei einem Querschnitt von 5 mm nicht überschreiten. Besonders wichtig bei der Herstellung der Proben ist außerdem, dass diese ohne eine Veränderung des Materialgefüges vonstattengeht, um eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Werden die Rahmenbedingungen nicht eingehalten, ist eine sinnvolle Bewertung der Versuchsergebnisse sehr schwierig. Qualitätssicherung durch hohe Präzision und eine akkurate Dokumentation ist das A und O bei diesem Unterfangen.

Zeitstandversuch und Kriechtest
Der Zeitstandversuch dient der Untersuchung, ob und wie sich die charakteristischen Festigkeitswerte durch die Bestrahlung bei erhöhten Temperaturen verändern. Für den Versuch werden Referenzproben und bestrahlte Proben eingespannt und mit einer vorher festgelegten Kraft auf Zug belastet. Durchgeführt werden diese Zeitstandversuche bei einer Temperatur von 250 °C und über einen vorgegebenen Beanspruchungszeitraum von sieben Tagen. Übersteht die Probe diesen Zeitraum ohne zu zerreißen, weist dies auf die notwendige Robustheit des Materials für den Einsatz unter hoher Bestrahlung hin. Mit dem sogenannten Kriechtest kann ermittelt werden, ob und wie sich das Kriechverhalten des Materials bei einem hohen Neutronenfluss und einer Temperatur von 250 °C verhält. Dazu werden die Materialproben im Vorfeld der Bestrahlung auf bestimmte Niveaus elastisch vorgespannt und in diesem Zustand fixiert. Nach der Bestrahlung wird die Vorspannung der Proben wieder gelöst. Anhand einer möglicherweise verbleibenden, unterschiedlich starken Dehnung zwischen unbestrahlten und bestrahlten Proben lässt sich eine Aussage über den Einfluss der Neutronenstrahlung auf die Elastizität des Materials machen. Ziehen sich die Proben nach Lösen der Vorspannung wieder auf ihre Ausgangslängen zurück ist die Elastizität des Materials erhalten geblieben. Kommt es aufgrund des Neutronenflusses aber zu einer Strukturveränderung des Materials, bleibt ein Teil der Dehnung der Probe auch nach der Entspannung erhalten.

Erste Ergebnisse der Tests liegen bereits vor und werden schlussendlich einen Beitrag für die Entscheidung über das optimale Wandmaterial liefern. Ist die Materialkombination aus Edelstahl, Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung und Beryllium belastbar genug für einen Einsatz im Fusionsreaktor, wäre damit ein kleiner Teil für das ITER-Projekt abgeschlossen und ein weiterer Schritt in Richtung Energieerzeugung aus Fusion getan.

Christoph Pohl, TÜV Rheinland Industrie Service GmbH

Christoph Pohl
TÜV Rheinland Industrie Service GmbH
Am Grauen Stein
51105 Köln
E-Mail: christoph.pohl@de.tuv.com

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