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Entwicklung neuer Materialien für den Fusionsreaktor

Erfolg bei der Entwicklung von Vanadiumlegierungen, die bei hohen Temperaturen stabil sind

11.12.2018

Dr. Takuya Nagasaka

Die Deckschicht ist orange eingefärbt, und das Gesamtgewicht des Reaktors übersteigt 1.000 Tonnen. Die Deckschicht sammelt die Hochgeschwindigkeitspartikel, die bei der Fusionsreaktion aus dem Plasma herausgetreten sind, und wandelt diese kinetische Energie in Wärme um

Im zukünftigen Fusionsreaktor wird das Plasma durch die Nutzung des Magnetfeldes im Inneren des donutförmigen Vakuumgefäßes eingegrenzt. Die Schutzhülle befindet sich an einer Stelle, an der sie das Plasma fast berührt, und als ob die Schutzhülle zum Falten des Plasmas auf die Innenfläche der Vakuumkammer gelegt würde. Die Schutzschicht absorbiert die durch die Fusionsreaktion im Plasma erzeugten Hochgeschwindigkeitspartikel und gibt Wärme ab, wodurch eine höhere Temperatur erreicht wird. Anschließend werden die Kühlmittel durch die Rohrleitungen im Mantel geleitet und die Wärme nach außen abgeführt. Mit dieser Wärme wird Heißwasser erwärmt und erzeugt Dampf für den Antrieb der Dampfturbine. Zu diesem Zeitpunkt wird erwartet, dass die Decke bei der hohen Temperatur zwischen 700 und 800 Grad? liegt. Um eine langlebige und stabile Stromerzeugung zu erreichen, ist es daher notwendig, ein hochtemperaturfestes Material neu zu entwickeln und bei der Herstellung des Drucktuchs zu verwenden.

Als neues Material für die Herstellung des Gummituchs ergeben sich Perspektiven für die Verwendung von Vanadium, das die Ordnungszahl 23 hat, als Hauptbestandteil der Legierung. Diese Legierung besteht aus 92% Vanadium, 4% Chrom und 4% Titan. Die Vanadiumlegierung vereint im Vergleich zu dem üblicherweise verwendeten hitzebeständigen Stahl verschiedene Eigenschaften, die für das Fusionsreaktortuch notwendig sind, wie beispielsweise hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen. Bislang wird die Entwicklung der Vanadiumlegierung als Kandidatenmaterial für den Fusionsreaktor in den USA und anderen Ländern durchgeführt. Unter den früheren Legierungen gab es Probleme mit dem Bruch bei der Bearbeitung von Rohren und mit dem leichten Bruch nach dem Schweißen von Rohrverbindungen. In der Praxis war es notwendig, dieses Problem zu überwinden, um aus der Vanadiumlegierung eine große Struktur ähnlich dem Fusionsreaktor zu konstruieren.

Ursachen für den Bruch der Vanadiumlegierung während der Bearbeitung und nach dem Schweißen sind Verunreinigungen wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und andere, die mit Luft und Rohstoffen vermischt sind. So konnten wir am National Institute for Fusion Science (NIFS) durch Überprüfung der Herstellungsbedingungen und Auswahl des geeigneten Zustands Verunreinigungen aus den Rohstoffen entfernen. Um die Vermischung von Verunreinigungen aus der Luft zu vermeiden, haben wir außerdem eine Legierung im Vakuum oder in Inertgasen (Gas, das keine chemische Reaktion aufweist) hergestellt. Als Ergebnis haben wir erfolgreich eine hochreine Vanadiumlegierung NIFS-HEAT-2 entwickelt. Durch diesen hohen Reinheitsgrad wurde die Duktilität (Eigenschaft, die den Bruch durch Ausdehnung unter Spannung verhindert) erheblich verbessert und wir konnten das Problem des Bruchs bei der Bearbeitung und nach dem Schweißen überwinden.

Umgekehrt führt die hohe Reinheit der Metalle im Allgemeinen zu einer Schwächung ihrer Festigkeit. Und auch NIFS-HEAT-2 teilte die gleiche Sorge. Wir konnten jedoch bestätigen, dass wir unter den Bedingungen, die für das Fusionsreaktordach im folgenden Festigkeitstest vorgesehen waren, eine ausreichende Festigkeit beibehalten konnten. Im Festigkeitstest erwärmen wir das Material auf die hohe Temperatur von 800 Grad? und stellen eine feste Last ein, um die Bedingungen des Fusionsreaktors zu simulieren. Die Materialien dehnen sich allmählich aus, verändern die Form und brechen schließlich. Durch die Messung der Abbruchzeit ändert sich die Zeit bis zum Abbruch bei einer Belastung von unter 1.000 Atmosphärendruck (Spannung entspricht einem Gewicht von 10,3 Kilogramm pro Quadratmillimeter), die in der Decke des Fusionsreaktors vorgesehen ist, auch bei hoher Reinigung nicht. So haben wir gelernt, dass die Kraft erhalten werden kann.

Wie vorstehend erläutert, haben wir durch die Reinigung der Vanadiumlegierung festgestellt, dass es möglich ist, die Legierung unter Zerspanung und Schweißen widerstandsfähig gegen Aufbrechen zu machen und gleichzeitig die Festigkeit auch bei hohen Temperaturen zu erhalten. Daraus haben wir zum ersten Mal weltweit die Möglichkeit gezeigt, eine Decke herzustellen, die über einen langen Zeitraum bei hohen Temperaturen betrieben werden kann.

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