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Eine neue Herstellungsmethode für DEMO Divertor Bauteile

KIT entwickelt die Herstellung von Wolframbauteilen im industriellen Maßstab

Wolfram ist das Material der Wahl für die Reaktorwandoberfläche vom ITER Nachfolger DEMO. Besonders der Divertor, an welchem Plasma Verunreinigungen und Asche vom Fusionsprozess entfernt werden müssen, ist extremer Hitze und Partikelflüssen ausgesetzt. Wolfram als Refraktär- Metall widersteht diesen hohen Wärmespannungen, es ist aber mittels konventioneller Fertigungsmethoden sehr kostspielig und zeitintensiv im Herstellungsprozess.

Pulverspritzguss stellt eine Alternative zu konventioneller Fertigung dar. In diesem Prozess wird Wolfram-Metall Pulver gemixt mit einem Bindersystem  und unter hohem Druck (bis zu 2000 bar) in die gewünschte Form (Kavität) gepresst. Nach dem Entfernen des Bindersystems und dem anschließenden Sinterprozess müssen an den entstehenden endkonturnahen Bauteilen keine weiteren Nacharbeiten erfolgen. Daher ist der Pulverspritzgussprozess für Wolfram eine kosteneffiziente Massenfertigungsmethode zur Herstellung hochpräziser Wolframbauteile in industriellem Maßstab.

In den vergangenen fünf Jahren haben die Forscher am KIT IAM-WK erfolgreich den Pulverspritzgussprozess für Wolfram etabliert. Die produzierten Bauteile reichen von einem Mikrozahnrad mit 3 mm Durchmesser und einem Gewicht von 0,050 g bis zu einer 1,4 kg Platte mit einer Größe von 60 x 60 x 20 mm. Aber nicht nur die Eignung des Prozesses für Wolfram wurde demonstriert, ebenso die Skalierbarkeit und die Fähigkeit zur Fertigung komplexer Bauteile mit hoher Präzision. Ein weiterer Vorteil der pulverspritzgegossenen Wolfram Teile sind die isotropen Materialeigenschaften. Konventionell mittels Fräsen oder Drehen hergestellte Platten oder Stangen besitzen nicht solche uniaxialen Kornorientierungen und sind daher nicht flexibel einsetzbar.

Verschiedene Wolfram Komponenten produziert mittels Pulverspritzguss (Foto: KIT, Tanja Meißner)

 

Ein ideales Werkzeug zur Entwicklung von neuen Materialien und als Verbindungstechnik

Zur Entwicklung von neuen Wolframmaterialien wie z.B. mit Titancarbid oder Yttriumoxid dotiertes Wolfram eignet sich der Spritzgussprozess ebenso wie zur Verbindung von Wolfram-Materialien. Traditionelle Verbindungstechniken, wie z.B. Löten, werden durch den im KIT entwickelten kostengünstigeren Mehrkomponenten Wolfram-Pulverspritzguss ersetzt.

 

Vielversprechende Testergebnisse

Die im KIT hergestellten Wolfram Bauteile wurden in der Jülicher Elektronenstrahlanlage JUDITH-1 mittels Thermoschock-Tests und Thermo-mechanischer Ermüdung getestet. Die dabei erzielten Ergebnisse sind vielversprechend. Nachfolgende Studien zu Plasma-Wand-Wechselwirkungen sind geplant. Die durch den Wolfram-Pulverspritzguss hergestellten Divertorbauteile sollen in ASDEX Upgrade und in der GLADIS Anlage des IPP Garching getestet werden. Der Spritzgussprozess ist sehr flexibel für neue Designs und Formen von Bauteilen. Die so produzierten Wolfram Bauteile, wie z.B. die Langmuir-Sonden für die Instrumentenproben und die zu einem Divertor Mockup zusammengefügten Monoblöcke werden im Fusionsexperiment WEST getestet.

Proben für ASDEX Upgrade (Foto: KIT, Tanja Meißner)

Langmuir-Sonden für WEST (Foto: KIT, Tanja Meißner)

 

Information und Kontakt:

Dr. Steffen Antusch, KIT, steffen.antusch∂kit.edu

 

Pressenotiz:

KIT produziert Langmuir-Sonden für das WEST-Projekt in Cadarache/Frankreich: 70 im KIT prodzierte Langmuir-Sonden wurden Ende April 2016 im Rahmen des Projekts WEST an das Institute for Magnetic Fusion Research des CEA im südfranzösischen Cadarache geliefert und wurden inzwischen eingebaut.
Nach vier Jahren Umbauzeit  wurde der Vakuumbehälter am 22.11.2016 um 10 Uhr geschlossen und die Vakuumpumpen gestartet.
 

Weiterführende Informationen:

https://www.fusion.kit.edu/

http://www.iam.kit.edu/awp/awp-hochtemperaturwerkstoffe.php

http://west.cea.fr/en/index.php