Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik (IHM)und Ionenstrahlen 32.23 Studien zur...

Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik (IHM) Leitung: Prof. Dr. M. Thumm

Zentrale Arbeitsgebiete des Instituts für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik (IHM) sind die Forschung, Entwicklung, Ausbildung und der Technologietransfer auf den Gebieten der Impuls- und Mikrowellentechnik bei hohen Leistungen. In die-sem Zusammenhang werden folgende Aufgabengebiete bear-beitet:

Theoretische und experimentelle Grundlagen der Leistungs-impuls- und der Hochleistungsmikrowellentechnik. Theorie und Praxis der Erzeugung hoher Energiedichten in Teilchenstrahlen, elektromagnetischen Feldern und Wellen sowie in Materialien. Anwendung dieser Verfahren bei der Energiegewinnung durch kontrollierte thermonukleare Fusion in magnetisch eingeschlos-senen Plasmen, der Material-Prozesstechnik und der Umwelt-technik.

Die Arbeiten der Abteilung für Hochleistungsimpulstechnik (Pulsed-Power-Technik) konzentrierten sich im Berichtsjahr auf folgende Themenkreise:

− Elektrodynamische Fragmentierung (FRANKA-Verfahren) zur Wiederverwertung von Feststoffen wie Rost- und Flug-aschen aus Müllverbrennungsanlagen, Altbeton, anderen Baustoffen und Edelmetallgekrätze sowie zum Mahlen von Farbkörpern (UMWELT, TTM).

− Aufschluss (Elektroporation) von biologischen Zellen mit gepulsten elektrischen Feldern bei Feldstärken im Bereich 106-107 V/m (KEA-Verfahren), z.B. bei der Gewinnung von Zucker aus Zuckerrüben. Hier konnte erstmals der erhebli-che wirtschaftliche Vorteil dieses Verfahrens gegenüber konventionellen thermischen Aufschlussverfahren in der Nahrungsmittelindustrie belegt werden (UMWELT, TTM).

− Oberflächenvergütung und Korrosionsschutz von Metallen und Legierungen mit großflächigen gepulsten, hochenerge-tischen Elektronen- (GESA-Technik) und Ionenstrahlen. Durch Einlegieren von Aluminium in Stahloberflächen mit Hilfe der GESA-Technik konnte erstmals ein wirksamer Langzeitschutz gegen Korrosionsangriff in Pb/Bi-gekühlten Reaktorsystemen bei Temperaturen bis zu 600 °C erreicht werden. Aufgrund dieser weltweit einmaligen Erfolge haben die japanische JNC und die koreanische KAERI langfristige Forschungsaufträge erteilt (NUKLEAR, HGF-Strategiefonds, TTM).

− Elektrodynamische Komprimierung nanostrukturierter Kera-mik-, Metall- und Legierungspulver (KOMPULS-Technik) sowie Bestimmung dynamischer Zerreissfestigkeiten mittels Stosswellen (MATERIAL).

Die Abteilung für Hochleistungsmikrowellentechnik befasste sich mit folgenden Aufgaben:

− Planung, Aufbau und Test des gesamten 10 MW, 140 GHz Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Heizsystems (ECRH) für den Dauerbetrieb (CW) am neuen Stellarator W7-X des IPP Greifswald. Insbesondere wird hierbei in Zusammenarbeit mit dem CRPP Lausanne und der europäischen Mikrowel-lenröhrenindustrie eine 1 MW, 140 GHz, CW Gyrotronröhre und mit dem IPF der Universität Stuttgart das quasi-optische Übertragungssystem entwickelt. Eine Vor-Prototypröhre

konnte in 2001 erfolgreich getestet werden, sie lieferte Welt-rekordparameter (FUSION/PMW).

− Entwicklung und Test von speziellen, stufenweise frequenz-durchstimmbaren 1-2 MW Gyrotronröhren und randgekühl-ten Mikrowellen-Vakuumfenstern aus CVD-Diamant für ECRH-Anlagen an Tokamak-Großexperimenten (ITER-FEAT, JET-EP, ASDEX-Upgrade). In 2001 konnte weltweit erstmalig ein MW-Gyrotron innerhalb einer Sekunde von 133 GHz nach 147 GHz umgeschaltet werden (FUSION, HGF-Strategiefonds).

− Experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Verhalten eines Divertors bei Plasmazusammenbrüchen und zur Tritiumprozeßtechnik- und sicherheit (FUSION).

− Sintern von fortschrittlichen Funktions- und Strukturkerami-ken, insbesondere von nanostrukturierten Keramiken, mit-tels Hochleistungsmillimeterwellen bei einer Frequenz von 30 GHz und Systemstudien zu Mikrowellen-Applikatoren für verschiedenste Anwendungen bei den ISM (Industrial, Scientific, Medical)-Frequenzen 0,915 GHz, 2,45 GHz, 5,8 GHz und 24,125 GHz (MATERIAL, TTM).

Zur Bearbeitung dieser theoretischen und experimentellen Themen stehen ein Workstation-Verbund und zahlreiche Expe-rimentieranlagen zur Verfügung: drei FRANKA-Anlagen, KEA, GESA I und II, DEMON, KOMPULS, KALIF, zwei Gyrotron-Teststände mit einer gemeinsamen Mikrowellen-Messkabine, eine Kompakt-Technologie-Gyrotron-Anlage und ein 2,45 GHz-Applikator.

Mit der Universität Karlsruhe und zahlreichen Universitäten und Forschungsinstituten des In- und Auslandes gibt es intensive, fruchtbare Kooperationen. Dabei besteht besonders mit der Universität Karlsruhe vor allem auch im Bereich der Ausbildung von Diplomanden und Doktoranden eine sehr enge Zusammen-arbeit. Dies zeigt sich in formaler Weise schon dadurch,

− dass der Institutsleiter des IHM auch Professor am Institut für Höchstfrequenztechnik und Elektronik (IHE) der Univer-sität Karlsruhe ist und an den Graduiertenkollegs „Numeri-sche Feldberechnung“, "Mischfelder und nichtlineare Wech-selwirkungen" und „Anwendungen der Supraleitung“ der Fa-kultät für Elektrotechnik und Informationstechnik mitwirkt;

− der Leiter der Abteilung „Hochleistungsimpulstechnik“ (Dr.-Ing. habil. Hansjoachim Bluhm) Privatdozent am Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik (IEH) in der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Karlsruhe ist und auch eine Vorlesung im Inter-national Department der Fakultät hält;

− Prof. Dr. habil. Edith Borie Außerplanmäßige Professorin in der Fakultät für Physik der Universität Karlsruhe ist.

Zum Jahresende waren am Institut 45 Mitarbeiter/innen be-schäftigt, darunter 18 Akademiker/innen, 9 Ingenieure und 17 Sonstige Mitarbeiter/innen, davon 2 Halbtagskräfte.

Wie oben erwähnt, ist ein Akademiker der Universität Karlsruhe Mitarbeiter des Instituts. Zusätzlich wurden 4 Akademiker, 1 Ingenieur und 6 Sonstige Mitarbeiter/innen, davon 1 Halbtags-

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kraft, aus Fremdmitteln finanziert. Für Technologie-Transfer-Projekte waren ferner 1 Akademikerin und 2 Sonstige Mitarbei-ter dem Institut zugeteilt. Schließlich zählen noch 5 Nachwuchswissenschaftler zum Institut. Im Verlaufe des Jahres waren an den Arbeiten des Instituts insgesamt 6 Gast-wissenschaftler, 6 Doktoranden/innen (3 vom Forschungs-zentrum, 3 von der Universität Karlsruhe) und 11 Auszubildende beteiligt.

IHM Beiträge zu Vorhaben der Arbeitsschwerpunkte/Projekte

Arbeitsschwer

punkt/ Projekt

Nr. des

Vorhabens

Bezeichnung des

Vorhabens

11 Programm Nachhaltigkeit, Energie- und Umwelttechnik (UMWELT)

11.03 Ressourcenschonung

11.03.01 Massenwerkstoffe für Bauen und Konstruktion 11.03.02 Verwertung von Feststoffen

31 Programm Kernfusion (FUSION) 31.02 Strukturwerkstoffe und hochbelastbare

Komponenten 31.02.02 Strukturwerkstoffe

31.02.03 Hochbelastbare Komponenten und

Versuchseinrichtungen 31.04 Plasmaheiztechnik

31.04.03 Fortschrittliche Hochleistungsgyrotrons

31.04.04 Hochleistungs-Millimeterwellen-Vakuumfenster 31.04.05 HGF-Strategiefonds-Projekt "Advanced ECRH"

31.07 Tritiumtechnologie

31.07.02 Tritiumprozesstechnik und -sicherheit 31.07.03 Tritium-Abtrennung aus Blanket-Spül- und

Kühlgasen

31.20 Sonderprojekt Mikrowellenheizung (PMW) für Wendelstein 7-X

31.20.10 Prototyp-Gyrotron-Entwicklung für ECRH an W7-X

31.20.30 Übertragungsleitung für ECRH an W7-X 31.20.40 In-Vessel-Komponenten für ECRH an W7-X

31.20.50 Kühlsystem für ECRH an W7-X

31.20.60 Energieversorgung für ECRH an W7-X 31.20.70 MSR-Technik für ECRH an W7-X

32 Programm Nukleare Sicherheitsforschung (NUKLEAR)

32.22 Innovative Systeme 32.22.08 Oberflächenvergütung mit gepulsten Elektronen-

und Ionenstrahlen

32.23 Studien zur Aktinidenumwandlung 32.23.05 Untersuchungen zu beschleunigergetriebenen,

unterkritischen Anordnungen

32.23.06 HGF-Strategiefonds-Projekt: Thermohydraulische und materialspezifische Untersuchungen zur

Wärmeabfuhr von thermisch hochbelasteten

Oberflächen mit Hilfe der Flüssigmetallkühlung

43 Programm Materialforschung (MATERIAL) 43.01 Pulvertechnologie

43.01.05 Elektrodynamische Erzeugung von nanokristallinen

Werkstoffen und Millimeterwellen-unterstützte Sintertechnik

61 Technologietransfer und Marketing (TTM) 61.02.31 Energietechnik, Werkstoffe:

Franka Edelmetallrecycling Entwicklung und Bau einer Elektroimpuls-Pilot-

anlage (KEA)

Innovative Beschichtung von temperatursensitiven medizinischen Implantaten

Speisenregenerierungssystem

Enteisung von Flugzeugen mittels Mikrowellen Temperierung und Prozessierung von harzinjizier-

baren Verbundstrukturen mittels Mikrowellen

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11 Programm Nachhaltigkeit, Energie- und Umwelttechnik (UMWELT)

11.03 Ressourcenschonung

11.03.01 IHM Massenwerkstoffe für Bauen und Konstruktion

Baustoffrecycling mit FRANKA-Stein

Zur Schonung natürlicher Ressourcen und zur Reduktion der CO2 Emission aus der Zementproduktion wurden die Untersu-chungen zum Recycling von Betonbruch mit Hilfe der Anlage FRANKA-Stein im vergangenen Jahr fortgesetzt. Um diesen Zielsetzungen näher zu kommen, ist die möglichst weitgehende Trennung des Altbetons in die Fraktionen Kies, Sand und Ze-mentmehl erforderlich.

Für die unter ökonomischen Gesichtspunkten erforderlichen Massendurchsätze von etwa 100t/h kommt hierfür nur ein konti-nuierlicher Durchsatz des Materials durch den Wirkbereich der Hochspannungsentladungen -den 'Reaktionsraum'- in Betracht. Dies bedingt eine Steuerung der Verweildauer des Materials im Reaktionsraum, ein Problem, das bisher nicht zufriedenstellend gelöst war. Im vergangenen Jahr wurde daher eine neue Tech-nik zur Lösung dieser Aufgabe entwickelt, realisiert und in das Prozessgefäß der FRANKA-Stein Anlage integriert. Mit Hilfe des Steuerungsprogramms FRANKA-Mon, das auf der kontinuierli-chen Messung des Impulsstroms basiert, kann außerdem die Beladung im Funkenbereich und die Leitfähigkeit des Prozess-wassers überwacht und eingestellt werden. Mit einer Funken-energie von lediglich 100 bis 150J je Entladung –begrenzt durch die Leistung des derzeit eingesetzten Hochspannungsgenera-tors- wurden mit diesem neuen Konzept Massendurchsätze von bis zu 1t/h erreicht. Hiermit ließ sich, in einem kontinuierlichen Prozess, die Qualität des Fragmentierungsprodukts - d. h. im wesentlichen die Abreinigung des Grobkorns - entsprechend den Anforderungen variieren: Ein hoher Durchsatz ergab ein gröberes, aber weniger abgereinigtes Korn und umgekehrt führte ein geringerer Durchsatz zu einem feineren, aber besser abgereinigten Korn.

Mit einem neu entwickelten Hochspannungsgenerator steht künftig eine Funkenenergie von bis zu 600J je Entladung im Reaktionsraum zur Abreinigung zur Verfügung. Hiermit werden Materialdurchsätze von bis zu 2t/h erwartet. Aufgrund der ver-gleichsweise geringen spezifischen Wertschöpfung beim Recyc-ling von Baumaterialien könnte eine derartige FRANKA Anlage erst für Massendurchsätze von ca. 100t/h wirtschaftlich betrie-ben werden. Hierzu ist der parallele Betrieb mehrerer Prozess-kammern notwendig. Um auch bei geringeren Massendurchsät-zen bereits Wirtschaftlichkeit erreichen zu können und so den Einstieg eines Industriepartners zu erleichtern und den notwen-digen Extrapolationsschritt von der Labor- zur Industrieanlage zu reduzieren, wurde nach Anwendungen im Baustoffbereich mit höherer Wertschöpfung gesucht. In Kooperation mit einem potenziellen Lizenznehmer aus der Industrie wurde in Zusam-menarbeit mit dem ITC-WGT die Aufbereitung von mit Schad-stoffen belasteten Baustoffen untersucht. Ziel ist dabei die Reduktion der Deponiekosten durch eine Aufkonzentration der Schadstoffe. Vorversuche haben gezeigt, dass die für Wirt-schaftlichkeit notwendigen Anreicherungsfaktoren vermutlich erreicht werden können. Diese Untersuchungen müssen aber weiter vertieft und auf andere Materialien und Kontaminanten ausgedehnt werden.

Abtragen und Bohren mittels FRANKA-xyz

Die Anlage FRANKA-xyz wurde für grundlegende Experimente zum Abtragen von Oberflächen und zum Bohren in Beton und anderen mineralischen Baustoffen sowie Gestein mit Hilfe von

Funkenentladungen entwickelt. Hierzu kann ein Hoch-span-nungspulsgenerator in allen Richtungen über dem in einem Wasserbecken gelagerten Objekt bewegt werden. Zwischen der über die Oberfläche des Materials bewegten Hochspannungs- bzw. Masseelektrode wird entweder durch die direkte Einwir-kung der Entladung oder der sie begleitenden Schockwelle Teile aus der Oberfläche abgesprengt. FRANKA-xyz wurde im ver-gangenen Jahr aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen. Erste Abtrag- und Bohrversuche an Blöcken und Würfeln aus Beton und an Granit verliefen vielversprechend und sind auf das Interesse bei potenziellen Anwendern in der Industrie gestoßen.

Abtragversuche mit automatischem Vorschub an großen Beton-blöcken (0,5 m x 0,5 m x 1 m) ergaben eine Abtragrate von 5-10 g/Impuls. Dies entspricht ca. 300 kg/h. Weitere Experimente an unterschiedlichen Materialien sind in Vorbereitung.

Spuren von Abtragversuchen mit FRANKA-xyz an einem Betonblock

Veröffent-lichungen

Beteiligte Mitarbeiter

4970349718

V49885V50067

Dr. H. Bluhm DP H. Giese Dr. P. Hoppé K. Leber DI H. Massier DI J. Singer

11.03.02 IHM Verwertung von Feststoffen

Aufschluss biologischer Zellen

Gepulste elektrische Felder hoher Amplitude und genügender Pulsdauer öffnen die Membranen biologischer Zellen. Diese mit Elektroporation bezeichnete umweltschonende und energie-sparende physikalische Methode kann entweder zum Auf-schluss pflanzlicher Zellen oder zum Abtöten von Mikroorganis-men eingesetzt werden.

Die Arbeiten zum Aufschluss pflanzlicher Zellen wurden im vergangenen Jahr fortgesetzt. Außer an Zuckerrüben wurde die Elektroporation an weiteren Früchten wie Kartoffeln, Karotten, Trauben, Oliven etc. durchgeführt. Ziel dieser Untersuchungen war es, herauszufinden, ob die Fruchtsäfte leichter bzw. mit geringerem Energieaufwand abgepresst werden können. Die Ergebnisse waren durchweg vielversprechend und sollen mit geeigneten Partnern aus der Industrie fortgesetzt werden.

Versuche mit der im letzten Jahresbericht beschriebenen La-boranlage KEA an Zuckerrüben haben gezeigt, dass die Tempe-ratur zur Extraktion des Zuckers aus den Rübenzellen nach der Vorbehandlung mit gepulsten elektrischen Feldern erheblich abgesenkt werden kann. Auch lässt sich die Zugabe von Ex-traktionswasser –der so genannte Abzug- beträchtlich verrin-

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Schalterentwicklungen gern. Durch die geringere Extraktionstemperatur ist zudem die Rohsaftreinheit erhöht.

Für eine wirtschaftliche Betriebsweise industrieller Hochspan-nungsgeneratoren werden verschleißarme Schalter mit langer Lebensdauer und hoher Schaltfrequenz benötigt. Die bisher eingesetzten Funkenstrecken erfüllen diese Anforderungen nur begrenzt. Ihre Elektroden brennen ab und müssen von Zeit zu Zeit nachjustiert und schließlich ersetzt werden. Halbleiter-schließschalter konnten bis vor kurzem weder die notwendigen Impulsströme schalten noch die benötigten Stromanstiegszeiten von einigen 10 kA/µs realisieren. In den letzten Jahren wurden jedoch Thyristoren entwickelt, die den Anforderungen der Hochleistungsimpulstechnik nahe kommen.

Auf der Basis dieser Ergebnisse soll mit einem Zuckerhersteller eine Pilotanlage zum Aufschluss von Zuckerrüben mittels Elektroporation mit einem Durchsatz von 2000 Tagestonnen entwickelt, gebaut und betrieben werden.

Für Grundlagenuntersuchungen zur Keimabtötung und zum Aufschluss pflanzlicher Zellen mittels gepulster elektrischer Felder wurde ein Versuchskreis aufgebaut und in Betrieb ge-nommen. Kernstück der Versuchsanordnung ist die Behand-lungszelle. Tierische oder pflanzliche Organismen werden in wässriger Lösung in das Füllvolumen zwischen den Elektroden eingebracht und mit Impulsspannungen beaufschlagt. Zusammen mit dem Institut für Elektroenergiesysteme und

Hochspannungstechnik der Universität Karlsruhe wurde daher eine schnelle Thyristoranordnung auf ihre Tauglichkeit für den Einsatz in Hochspannungsimpulsgeneratoren überprüft. Endziel ist dabei die Verwendung eines solchen Thyristorschalters in einer Generatoranordnung, bei der der Hochspannungsimpuls mit Hilfe eines Impulstransformators erzeugt wird. Der Schalter bestand aus einem Stapel von 4 Thyristoren mit integrierter Freilaufdiode. Die antiparallel geschaltete Freilaufdiode sollte die Verwendung des Schalters in einer schwingenden Entladung ermöglichen. Der Schalter war für eine Schaltspannung von 10 kV und einen Strom von 20 kA bei Stromanstiegsgeschwin-digkeiten von 20 kA/µs ausgelegt. In Dauertests versagte der Schalter nach wenigen hundert Impulsen. Als Hauptursache wurde das verzögerte Durchschalten der Freilaufdiode identifi-ziert. Aufgrund dieses Schaltverzugs kam es zu einem kurzzeiti-gen Spannungsanstieg von ca. 250 V pro Thyristor, der zusam-men mit dem bereits in Rückwärtsrichtung aufgeprägten Strom eine erhöhte Verlustleistung und damit ein Erhitzen im Dioden-bereich des Elements bewirkte. Bei höheren Taktraten war die Wärmeabfuhr zum Gehäuse hin nicht ausreichend, so dass die Diode durch Überhitzung lokal zerstört wurde. Um dieses Prob-lem zu beseitigen, musste der Halbleiter umstrukturiert werden. Der modifizierte Thyristorschalter besitzt keine integrierte antipa-rallel geschaltete Diode mehr. Damit er trotzdem rückwärts leitfähig bleibt, wurde die Lebensdauer der Ladungsträger in den pn-Übergängen des Thyristors erhöht, so dass dieser noch für eine ausreichende Zeit rückwärts leitfähig bleibt. Die Lebens-dauer wurde vom Hersteller zu ca. 50 µs angegeben. Dieser Ansatz bringt es mit sich, dass der Thyristorschalter nicht für schwingende Verläufe mit beliebig langer Periodendauer einge-setzt werden kann. Ein Sperren des Thyristors, solange noch Energie im Stromkreis ist, muss nach wie vor verhindert werden. Darüber hinaus wurde der zulässige Strom reduziert.

Um einen aussagekräftigen Zusammenhang zwischen der an-gelegten elektrischen Feldstärke und der physiologischen Wir-kung auf Organismen herstellen zu können, ist eine möglichst homogene Feldstärkeverteilung mit hohen Feldstärkewerten im gesamten Füllvolumen erforderlich. Im Gegensatz dazu muss jedoch die Feldstärke am Tripelpunkt Elektrode/Isolator/Flüssig-keit zur Vermeidung von Durchschlägen so gering wie möglich gehalten werden.

Das Ergebnis einer elektrostatischen Feldberechnung der opti-mierten Geometrie weist eine homogenen Feldstärke E0 zwi-schen den Elektroden auf. Der Volumenanteil mit verringerter Feldstärke (Tripelpunkt) ist geringer als 1%.

Erste Versuche zur Abtötung wurden mit E.coli Bakterien durch-geführt. Die Ausgangskonzentration war 2650 Bakt./ml und wurde exponentiell abfallenden elektrischen Feldstärkeimpulsen mit einem Maximalwert von 85 kV/cm ausgesetzt. Im Vergleich mit dem im letzten Jahresbericht beschriebenen

Halbleiteröffnungsschalter vom Typ SOS ist der Thyristorschal-ter durch erheblich aufwendigere Maßnahmen zum Schutz gegen Fehlfunktionen gekennzeichnet. Auch sind seine Kosten noch relativ groß. Ein weitergehender Vergleich beider Schalter ist jedoch nicht sinnvoll, da es sich beim SOS-Schalter um einen Öffnungsschalter und beim Thyristor um einen Schließschalter handelt. Beide sind daher für unterschiedliche Generatoren und zusätzlich für unterschiedliche Impulsdauern geeignet.



463584732448935489364944849699

V49898V51034

Dr. H. Bluhm Dr. W. Frey V. Neubert DI R. Strässner Dr. Ch. Schultheiß R. Wüstner

Im Mittel überlebten 480 Bakt./ml, wenn die Ausgangslösung mit einem Spannungsimpuls beaufschlagt wurde. Bei fünf aufeinan-derfolgenden Impulsen konnten durchschnittlich 38 Bakt./ml überleben. Die Versuche sollen mit anderen Pulsformen fortge-setzt werden.

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31 Programm Kernfusion (FUSION)

31.02 Strukturwerkstoffe und hochbelastbare Komponenten

31.02.03 IHM Hochbelastbare Komponenten und Versuchseinrichtungen

Die 2-D Simulationsrechnungen zur Quantifizierung der Schädi-gung von erster Wand und Divertor bei nichtnormalem ITER-FEAT Betrieb und zur Bestimmung der maximal tolerierbaren Energie für sog. Edge Localized Modes (ELMs) wurden fortge-führt. Die numerischen Resultate zur Materialerosion durch Verdampfen, zu den physikalischen Eigenschaften tokamak-typischer Plasmaschilde, zur Magnetohydrodynamik dieser Schilde und zu ihrer Langzeitstabilität konnten in tokamaktypi-schen Simulationsexperimenten voll bestätigt werden. Auch die Plasmaschilde vertikaler Targets sind turbulenzfrei und zur Beschreibung der Magnetohydrodynamik dieser Schilde kann der klassische Magnetfelddiffusionskoeffizient verwendet werden. Die Erosion durch Verdampfen bleibt als Folge des schützenden Dampfschildes pro Plasmaabbruchereignis unter 10 Mikrometer. Wegen der Häufigkeit von ELMs muss deren maximal tolerierbare Energie begrenzt werden. Hierbei ist die Materialverdampfung an sogenannten Hot Spots, die durch Oberflächenrauigkeit und Flakes erzeugt werden und der Transport dieser Verunreinigungen ins zentrale Plasma die entscheidende Größe und nicht die durch Materialabtrag be-stimmte Standzeit. Erste numerische Resultate zum Verunreini-gungstransport ergeben für faserverstärkten Kohlenstoff (CFC) eine max. tolerierbare ELM Energie die mit 0,5 MJ um den Faktor 10 niedriger ist als der für ITER-FEAT gegenwärtig als typisch angesehene Wert für sog. Typ I ELMs.

Bei volumetrischer Heizung von Graphit kommt es, wenn die im Material absorbierte spezifische Energie 10 kJ/g erreicht wird, zur makroskopischen Zerstörung durch Rissbildung im Inneren der Probe (Brittle Zerstörung). Dabei werden beachtliche Men-gen an Staub erzeugt. Neu durchgeführte Heizexperimente mit gepulsten Plasmastrahlen belegen ebenfalls Rissbildung und Risspropagation in die Tiefe der Probe, wie die Entstehung von Löchern mit Durchmessern von mehreren Hundert Mikrometern und Tiefen bis ca. 200 Mikrometer belegt.

vor Bestrahlung nach 40 Bestrahlungen SEM Bilder einer CFC Probe SEP NB 31 vor und nach gepulster Wärmebelastung an der Plasmastrahlanlage MK 200 UG bei TRINITI Troitsk.

Zur numerischen Simulation der makroskopischen Zerstörung von Graphit wurde ein 3-D Modell entwickelt. Erste numerische Resultate für die Oberflächenheizung bestätigen die Risspropa-gation in die Probentiefe. Als Folge entstehen die auch beo-bachteten relativ grossen und tiefen Löcher.

Makroskopische Zerstörung tritt ein, wenn sich die einzelnen durch Rissbildung erzeugten Löcher zu einem Erosionskrater verbinden. Damit kann es auch bei zyklischer Wärmebelastung durch Plasmastrahlen (Oberflächenheizung) zu einer größeren Materialschädigung kommen. Zur Bestätigung wurde ein expe-

rimentelles Programm zur Durchführung an der Elektronen-strahlanlage JUDITH in Jülich ausgearbeitet.

Numerische 2-D Simulation der Entwicklung eines durch makroskopische Zerstörung gebildeten Lochs in Graphit bei zyklischer Oberflächenbelastung durch einen Plasmastrahl mit 30 MJ/m2 bei einer Belastungsdauer von 10 ms pro Puls. Die Ziffern an den Kurven geben die Zahl der Belastungszyklen an.

Die Erosion geschmolzener Schichten wird hauptsächlich durch Fluiddynamik der Schmelze bestimmt. Das in 2000 entwickelte 1-D Fluiddynamikmodell wurde weiter verbessert, an Experi-menten der Elektronenstrahlanlagen JUDITH und JEBIS vali-diert und zur Berechnung der Erosion der metallischen Armour-materialen Be und W angewandt. Die die Schmelzbewegung treibenden Kräfte im Tokamak sind Lorentzkraft und Druckgra-dient des Plasmaschildes, in den Elektronenstrahl-Anlagen dagegen der Gradient der Oberflächenspannung. Im Tokamak wird ein beträchtlicher Teil der Schmelzschicht weggespühlt,es entstehen ein Erosionskrater und am Schmelzrand ein Material-berg. Die Erosionstiefe kann grösser werden als die Dicke der Schmelzschicht ohne Schmelzbewegung.

Berechnete Kratertiefen, verursacht durch Schmelzbewegung in Wolfram bei einem sog. Vertical Displacement Event (VDE). Das Target wurde während 0,1 s mit 30 MJ/m2 und zwei ver-schiedenen Stromdichten belastet.

Bei typischen Fliessgeschwindigkeiten in der Schmelze von bis zu 20 m/s für Wolfram kommt es zu Splashprozessen, bei de-nen bis zu 9 % der geschmolzenen Wolframmasse als Tropfen weggesprüht werden.

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46345 46346 47710 47963 47964 48301 49657 50173

V50911 V50912 V50913 V50914 V50930 V51067

Dr. B. Bazylev (Gastwissenschaftler) Dr. I. Landman (Gastwissenschaftler) Dr. S. Pestchanyi (Gastwissenschaftler) Dr. V. Safronov (Gastwissenschaftler) Dr. H. Würz

Bestimmung der mechanischen Schwingungen des koaxialen Innenleiters.

31.04 Plasmaheiztechnik - Die Verluste am Innenleiter wurden kalorimetrisch zu 0,1%

der HF-Ausgangsleistung ermittelt (nächste Abbildung). Das heißt, bei einer Ausgangsleistungen von 1,5 MW erhält man etwa 1,5 kW Verlustleistung auf dem Innenleiter. Die Größe der Verluste, die nur leicht über den theoretischen Erwar-tungen liegt, stellt kein besonderes technisches Problem dar.

31.04.03 IHM Fortschrittliche Hochleistungsgyrotrons

Millimeterwellen im Frequenzbereich zwischen 90 und 170 GHz bieten große Vorteile bei der Elektron-Zyklotron-Resonanz-Heizung (ECRH) und Stabilitätskontrolle von magnetisch einge-schlossenen Plasmen in der thermonuklearen Fusionsreaktor-forschung. Gegenwärtig werden Gyrotrons mit Ausgangs-leistungen von 1 MW bei 140 GHz erfolgreich getestet, auch im Langpulsbetrieb bzw. Dauerstrichbetrieb (CW-Betrieb).

Gemessene und gerechnete Verluste am koaxialen Innenleiter als Funktion der Ausgangsleistung in der TE31,17-Mode.

Für Fusionsexperimente der nächsten Generation, z.B. ITER, werden Mikrowellenleistungen von etwa 40 MW bei 170 GHz nahezu im Dauerbetrieb benötigt. Um die Kosten des ECRH-Systems zu reduzieren, sind Ausgangsleistungen von 2 MW pro Einheit wünschenswert. Diese Möglichkeit bieten Gyrotrons mit koaxialem Resonator. Die experimentellen Ergebnisse im Kurz-pulsbetrieb (1 ms) haben gezeigt, dass im Prinzip ein 2 MW, CW, 170 GHz Koaxial-Gyrotron technisch realisierbar ist. Fol-gende Ergebnisse wurden erreicht:

- Ausgangsleistungen von 2,2 MW bei 165 GHz und 28% Wirkungsgrad (Resonatormode: TE31,17). Mit Hilfe eines ein-stufigen vorgespannten Kollektors ( Depressed Collector ) konnte der Wirkungsgrad bei 1,5 MW Ausgangsleistung auf 48% gesteigert werden. Die Pulslängen wurden auf 17 ms verlängert.

- Die mechanische Stabilität des koaxialen Innenleiters ist entscheidend für stabilen monomodigen Langpuls- und CW-Betrieb eines koaxialen Gyrotrons. Deshalb wurde die Größe der durch den Kühlwasserfluss bedingten mechanischen Vibrationen untersucht. Dazu wurde der Elektronenstrahl im Resonator bei abgeschaltetem Kühlwasser mit magneti-schen Dipolspulen soweit radial abgelenkt, bis er den In-nenleiter berührte. Der Strom zum Innenleiter Iins hängt von der radialen Ablenkung ∆rbeam ab. Die Ergebnisse sind in der nächsten Abbildung zu sehen.

- Experimentell wurde die Mikrowellenstreustrahlung, welche im Gyrotron gefangen wird, zu ca. 11% der Ausgangsleis-tung ermittelt. Dieser Wert ist relativ hoch, er kann jedoch durch eine Reduzierung der Beugungsverluste des quasi-optischen Ausgangskopplers verkleinert werden. Die gemes-sene gleichmäßige Verteilung der Streustrahlung innerhalb der Röhre vermindert die damit zusammenhängenden tech-nischen Probleme.

Aus der Variation des Stromes Iins zum Innenleiter bei einge-schaltetem Wasserfluss ergab sich eine maximale Schwin-gungsamplitude von ±0,03 mm. Dies ist für stabilen Lang-pulsbetrieb ausreichend.

- Ultraschnelle Frequenzdurchstimmung innerhalb von 0,1 ms wurde erprobt durch Anlegen einer Vorspannung an den ko-axialen Innenleiter. Stufenweise Frequenzverstellung um ± 2,2 GHz zwischen der TE31,17-Mode und den azimutalen Nachbarmoden TE31,16 (162,8 GHz) und TE31,18 (167,2 GHz) wurde demonstriert. Zusätzlich wurde ebenfalls eine konti-nuierliche Frequenzverstellung um bis zu 70 MHz innerhalb der Oszillationsbandbreite der TE31,17-Mode gezeigt.

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1 MW, 170 GHz, CW Torusfenster für ITER



48055 49035 49054 49263 49270 49358 49360

V49414 49415

V49451 49658

V49886 V49890 V49893 V49894 V49895 V49896 V49901

50246 50247 50248 50810 50897

DI J. Anderer (Uni Karlsruhe) DI A. Arnold (Uni Karlsruhe) H. Baumgärtner Prof. Dr. E. Borie H. Budig Dr. G. Dammertz O. Drumm (Uni Karlsruhe) Dr. O. Dumbrajs (Gastwissenschaftler) Dr. S. Illy DI K. Koppenburg H.R. Kunkel Dr. M. Kuntze Dr. B. Piosczyk J. Szczesny Prof. Dr. M. Thumm R. Vincon Dr. X. Yang

Hochleistungstests mit einer bestrahlten CVD-Diamantscheibe wurden bei JAERI, Japan, durchgeführt. Obwohl die Fensterein-heit für auf beiden Seiten evakuierte HE11-Hohlleiter ausgelegt war, wurde der Hohlleiter zunächst auf der Lastseite entfernt. Dadurch konnte das Fenster mit einer Video-Kamera beobach-tet und die Temperaturverteilung mit einer Infrarot-Kamera gemessen werden. Die Infrarot-Kamera zeigte einen Tem-peraturanstieg von 19°C in der Mitte des ungekühlten Fensters bei Pulslängen von 0,35 s und Leistungen von 0,5 MW sowie einen Temperaturanstieg von 35°C bei Leistungen von 0,3 MW und Pulslängen von 2 s. Zusätzlich wurden Leuchtpunkte während des Pulses sowohl mit der Video-Kamera als auch mit der Thermokamera beobachtet. Pulslängen und Strahlleistun-gen waren durch Überschläge in der nicht evakuierten HF-Ab-sorberlast begrenzt.

Mit einer geschlossenen, evakuierten Übertragungsleitung waren Messungen mit 0,58 MW und Pulslängen von 15 s mög-lich. Die Temperatur des Kühlwassers stieg um 0,9°C, die Tem-peraturdifferenz an den Scheiben im Bereich des Hohlleiters betrug 27°C. Zusätzlich wurde bei 0,2 MW eine Pulslänge von 132 s erreicht, die Kühlwassertemperatur stieg um 0,29°C.

Aus diesen Ergebnissen wurde mit numerischen Simulations-rechnungen ein tanδ von 4,7 x 10-5 abgeschätzt, im Einklang mit Niederleistungsmessungen. Vermutlich hat sich die thermische Leitfähigkeit, die sich nach der Neutronen-Bestrahlung auf 850 W/mK reduziert hatte, durch den Lötprozess wieder auf ca. 1200 W/mK verbessert.

31.04.04 IHM Hochleistungs-Millimeterwellen-Vakuumfenster

Die Übertragung der Hochfrequenzwelle vom Gyrotron zum Plasmagefäß eines Fusionsreaktors erfordert vakuumdichte Millimeterwellenfenster, die gleichzeitig eine Barriere gegen das Entweichen von Tritium und aktiviertem Staub bilden müssen. Zur Zeit werden in Europa, Japan, Russland und den USA Hochleistungs-Millimeterwellen-Vakuumfenster entwickelt, die große, randgekühlte künstliche Diamant-Scheiben benutzen. Die Diamantscheiben wurden fast alle von DeBeers Industrial Diamond Division (UK) durch "microwave plasma assisted chemical vapor deposition" (MPACVD) hergestellt und besitzen Durchmesser bis 119 mm und Dicken bis 2,3 mm. Aufgrund der geringen Millimeterwellen-Verluste (tanδ = 2-3x10-5), der hohen thermischen Leitfähigkeit (~1800 W/mK), der guten Biege-steifigkeit (400 MPa) und der hohen Strahlenresistenz gegen Neutronenflüsse bis 1021 n/m2 (10-4 dpa) sind solche Diamant-scheiben als technische Lösung für CW Millimeterwellen-Vaku-umfenster von mehr als 1 MW ideal geeignet.

Torus-Fenstereinheit für JET

Konzeptstudien für Einscheiben- und Doppelscheibenfenster-einheiten wurden im Rahmen des JET-EP Programms durch-geführt, und zwar für quasi-optische und für Hohlleiterübertra-gung. Aus Sicherheitsaspekten bei Tritiumbetrieb wird die Fenstereinheit als Doppelscheibenfenster ausgebildet, mit UHV-Vakuumbedingungen zwischen den Scheiben. Die Schei-bendicke von 1,11 mm erlaubt reflexionsfreie Transmission bei 113,3 GHz (2λ/2) und bei 170 GHz (3λ/2). Die Mikrowellenüber-tragung wird in einem HE11-Wellenleiter mit einem Durchmesser von 63,5 mm durchgeführt. Ein geeignetes Doppelscheiben-fenster mit möglichst kleinem Abstand der Scheiben wurde dafür entworfen. Bei kleinem Scheibenabstand beeinflussen Geomet-rieabweichungen in Scheibendicke und -abstand die Transmis-sionseigenschaften weniger als bei großem Abstand.

1 MW, 170 GHz, CW Diamant-Gyrotron-Fenster für ITER

A

A (5:1)

helicoflex seal

Φ =

70

Φ =

63.

5

45°

ion gettter pump arc detector

cooling water cooling waterarc detector

diamond disk

1.11

diamond disk

75

Eine neue Diamantscheibe (Scheibendurchmesser 106 mm, Dicke 1,852 mm, Apertur 88 mm ) wurde beschafft und in Zu-sammenarbeit mit dem russischen ITER-Partner in eine neue Fenstereinheit eingebaut. Bei den Niederleistungsmessungen stellte sich eine Durchbiegung der Scheibe (120-140 µm) her-aus, die einem statischen Druck von 0,7 MPa entspricht. Er-neutes Löten brachte keine Verbesserung in der Durchbiegung. Das Fenster wurde in das russische ITER-Gyrotron eingebaut und getestet. Das Gyrotron wurde mit 1 MW Ausgangsleistung und Pulslängen von 1,5 s bei einem Wirkungsgrad von 50% betrieben. Im Mai 2001 brach das Fenster bei einer Pulslänge von 0,2 s. Die Bruchstruktur ist charakteristisch für einen Fehler, der durch homogenen und biaxialen Druck entsteht. Dies ist ein Beweis dafür, dass der Bruch durch die statische Belastung verursacht wurde.

Eine weitere Diamantscheibe wurde beschafft, die innerhalb der Fehlergrenzen keine Durchbiegung zeigte. Hochleistungstests stehen unmittelbar bevor. Torus-Fenstereinheit

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Tabelle: Anregbare Moden des TE 22,8-Gyrotrons Auf beiden Seiten der Einheit werden Arc-Detektoren zum Schutz der Scheiben bei Überschlägen eingesetzt. Wegen der Transparenz der Scheiben können Überschläge im evakuierten Wellenleiter ebenfalls durch diese Detektoren erkannt werden.



46417 48475 48476 49267 49268 49269

V49455 V49891

50255 50278 50399

V50896 V51115

51121

DI A. Arnold (Uni Karlsruhe) Dr. G. Dammertz Dr. S. Illy Dr. B. Piosczyk J. Szczesny Prof. Dr. M. Thumm Dr. X. Yang Dr. R. Heidinger (IMF I) A. Meier (IMF I) M. Rohde (IMF I)

Es wurden theoretische Untersuchungen über die verschiede-nen Modenwandler durchgeführt. Betrachtet wurden Antennen vom einfachen Vlasov-Typ und vom Denisov-Typ. Die Vlasov-Antenne besitzt ein breitbandiges Verhalten. Durch den Verzicht der internen Strahlfokussierung ist sie jedoch mit nicht unbedeu-tenden Verlusten behaftet, die gerade bei einem Langpuls-gyrotron zu nicht vertretbaren Streustrahlungen innerhalb des Gyrotrons führen. Die Denisov-Antenne weist auf Grund ihrer feldformenden Eigenschaften wesentlich geringere Beugungs-effekte auf. Die Breitbandigkeit ist ausreichend, so dass die Abstrahlung für alle Moden nahezu gleich ist. Die Abbildung zeigt die Leistungsverteilung auf der Antennenoberfläche und innerhalb der Abstrahlebene für zwei verschiedene Moden.

31.04.05 IHM HGF-Strategiefonds- Projekt "Advanced ECRH"

Im Rahmen des HGF-Strategiefonds-Projektes „Optimierung des Tokamakbetriebes mit geregelter Energiedeposition“ soll ein frequenzdurchstimmbares Gyrotron entwickelt werden.

Magnetohydrodynamische (MHD) Instabilitäten sind die Haupt-ursachen für die Begrenzung der Einschlusszeiten von Plas-men, und sie sind zum größten Teil bestimmt durch die Vertei-lung der Ströme im Plasma. Diesen Instabilitäten kann durch gezielten äußeren nicht induktiven Stromtrieb entgegengewirkt werden. Die Unterdrückung von stromgetriebenen Instabilitäten, sog. „Neoclassical Tearing Modes“, durch Elektron-Zyklotron-Stromtrieb (Electron Cyclotron Current Drive: ECCD) wurde am Garchinger Tokamak ASDEX-Upgrade erfolgreich demonstriert.

Die Resonanzbedingung für die Absorption der Mikrowelle ist abhängig vom Magnetfeld und der Frequenz. Durch Verän-derung der Frequenz wird der Ort der Absorption und damit auch des internen Stromes variiert. Ein stufenweise im Fre-quenzbereich zwischen 105-140 GHz durchstimmbares Mehr-frequenzen-Gyrotron mit einer Ausgangsleistung von 1 MW bei langen Pulsen (10 Sekunden) wird in Zusammenarbeit mit dem IAP in Nizhny-Novgorod (Russland) für den Einsatz bei ASDEX-Upgrade entwickelt.

Leistungsverteilung auf der (aufgerollten) Antennenwand für die TE22,8- und TE19,6-Mode.

Das Spiegelsystem besteht aus insgesamt drei Spiegeln, die die Phasenkorrektur des Ausgangsstrahls durchführen und den Strahl auf das Ausgangsfenster lenken. Da die Kaustikradien der betrachteten Moden nahezu gleich sind, ist das Spiegelsys-tem breitbandig. Zur experimentellen Verifikation des gesamten quasi-optischen Wellentypwandlers bei kleinen HF-Leistungen wurde ein TE22,8-Moden-Generator entwickelt.

Als Prototypröhre des Mehrfrequenzengyrotrons wird die beste-hende TE22,6-Röhre für den Betrieb in der TE22,.8-Mode umge-baut. Elektronenkanone, Kompressionszone, Kollektor und das supraleitende Magnetsystem werden in der neuen Anordnung beibehalten. Speziell für die Elektronenkanone haben Experi-mente gezeigt, dass eine Ausführung als Triode in dieser An-ordnung keine wesentlichen Vorteile im Vergleich zu einer Diodenkanone liefert.

Zur optimalen Auskopplung der HF-Leistung muss das Fenster an die verschiedenen Frequenzen angepasst werden, d.h. das Fenster muss so ausgelegt sein, dass für keine Frequenzen Reflexionen an dem Fenster auftreten. Zwei Konzepte werden verfolgt: die Entwicklung eines Brewsterfensters sowie eines Zweischeibenfensters, bei dem der Abstand der Scheiben für jede Frequenz geeignet eingestellt wird. Für das Gyrotronfenster wird die erste Methode bevorzugt, jedoch ist nicht klar, ob Dia-mantscheiben solcher Größe hergestellt werden können. Solche Scheiben werden in 2002 in Zusammenarbeit mit dem FhI für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg entwickelt. Berech-nungen und entsprechende Auslegungen der Fenster wurden zu beiden Varianten durchgeführt.

Der Resonator einschließlich des Ausgangstapers sowie der quasi-optische Modenwandler, der die TE22,8-Mode in einen Gaußschen Strahl konvertiert, wurden neu berechnet und opti-miert. Das System wurde derart ausgelegt, dass insgesamt sieben Frequenzen in dem Frequenzintervall 105-140 GHz an-geregt werden können (Tabelle).

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46418 V49883 V49886 V50068

50253 V50261

Prof. Dr. E. Borie Dr. G. Dammertz DI O. Drumm (Uni Karlsruhe) Dr. M.V. Kartikeyan (Gastwissenschaftler) DI K. Koppenburg Dr. B. Piosczyk Prof. Dr. M. Thumm Dr. X. Yang

Tabelle: Versuchsergebnisse

Concentrations at the bottom

Concentrations at the top

Catalyst

Temp.(°C)

G / L

Liquid at. %

Gas at. %

Liquid at. ppm

Vapour at. ppm

Gas at. ppm

HETP (cm)

2.2 1.42 0.99 1000 2750 2579 53 Mend. UniMoscow, Russia

60 4.1 2.49 0.98 750 1360 3470

2320 29

2.1 1.19 0.99 370 2320 3475 82 SCK⋅CENMol, Belg.

40 4.0 2.22 0.99 510 2247 3525 45 2.3 1.51 0.99 210 305 862 28 ICIT

Romania 70

3.7 2.33 0.99 360 480 3195 29 Showa CoJapan

70 1.9 0.95 0.99 3400 7750 5150 125

31.07 Tritiumtechnologie

31.07.02 IHM Tritiumprozesstechnik und –sicherheit

Zusätzlich wurde ein mathematisches Computermodell entwi-ckelt, mit dem der katalytische Isotopenaustausch zwischen tri-tiiertem Wasser und einem Gasgemisch aus Protium/Deuteri-um/Tritium berechnet und die Abreicherungseigenschaften der Kolonne beschrieben werden können. Nach Weiterentwicklung ermöglicht das Modell die Berechnung optimierter großer Kolonnen im technischen Maßstab.

Für den Tritiumentzug aus Wasser wird ein bereits mit Wasser-stoff und Deuterium im Labor erprobtes Verfahren auf der Basis des CECE-Prozesses (Combined Electrolysis Catalytic Ex-change) in einer Versuchsanlage (TRENTA) im halbtechnischen Maßstab umgesetzt und zur Anwendungsreife weiterentwickelt. Die Anlage, die im Tritium-Labor Karlsruhe (TLK) errichtet wird, dient als Basis für eine bei JET dringend benötigte Betriebsan-lage mit zwanzigfach höherem Durchsatz zur Entwicklung der Technologie für ITER und zur Aufarbeitung von im TLK anfal-lendem tritiiertem Wasser.

Das Modell und die zugehörige Software wurden anhand der experimentellen Ergebnisse (Tabelle) überprüft und fortentwi-ckelt. Die Abbildung zeigt eine solche graphische Bestimmung von Zahl und Höhe der Kolonnenböden.

Die Realisierung der Anlage, die aus einem Elektrolyseur zur Zerlegung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff und einer katalytischen Isotopen-Austauschkolonne (LPCE) besteht und einen Dekontaminationsfaktor von mindestens 10.000 haben soll, erfolgt in drei Stufen: die Katalysator-Testanlage zur Aus-wahl des hydrophoben Katalysators, die halbtechnische Anlage TRENTA mit einem Durchsatz von 500 kg/a und die endgültige Betriebsanlage für JET.

Die Auswahl des für die LPCE-Kolonne geeignetsten Katalysa-tormaterials als Funktion verschiedener Parameter war der erste Schritt. Mit der im Tritiumlabor aufgebauten Katalysator-Test-anlage wurden Vergleichsmessungen mit vier verschiedenen hydrophoben Katalysatoren, die in Russland, Belgien, Rumä-nien und Japan hergestellt wurden, durchgeführt. Die Testko-lonne mit einer aktiven Länge von 90 cm und einem Durchmes-ser von 40 mm wurde mit einer Mischung aus einem hydropho-ben Katalysator und einem inerten Packmaterial gefüllt. Die Experimente wurden mit natürlichem Wasser und mit Deuterium (≤ 2 %) angereichertem Wasserstoff im Gegenstrom durch-geführt. Die molaren Verhältnisse der Durchflussraten von Gas und Wasser lagen zwischen 2 und 4 bei Gasgeschwindigkeiten von 0,1 – 0,2 m/s. Die jeweiligen Arbeitstemperaturen wurden von den Katalysatorherstellern empfohlen (40 – 80 °C).

Graphische Bestimmung der HETP.

Unter Mithilfe des Modells wurden zur Vergrößerung der effekti-ven Oberflächen von Katalysator und Packmaterial verbesserte Materialien berechnet, die in Rumänien hergestellt und in der Katalysator-Testanlage erfolgreich getestet wurden.

Zur Bestimmung der Effektivität der verschiedenen Katalysator-kolonnen wurden die Deuteriumkonzentrationen in Gas und Wasser an Fuß und Kopf der Kolonne mit Massenspektrometrie (Quadrupol- und Omegatron-Spektrometer) und Infrarotspektro-skopie gemessen. Als Maß zur Bewertung der Katalysatoren dienen die HETP (Height Equivalent to Theoretical Plate), die theoretischen Höhen der Kolonnenböden, die möglichst klein sein sollen.

Auf der Basis der gewonnen Daten können für die JET-Kolonne verschiedene geeignete Anordnungen für Katalysator und Packmaterial vorgeschlagen werden.

Zur Zeit werden in der modifizierten Katalysator-Testanlage erste Messungen mit Spuren von Tritium (1 µCi/l) in einem Ge-misch aus Tritium/Deuterium/Protium durchgeführt, um den Einfluß aller drei Isotope auf den katalytischen Austauschpro-zess untersuchen zu können.

Einige Ergebnisse dieser Messungen sind in der nächsten Tabelle dargestellt. Danach ist der rumänische Katalysator am besten geeignet, zumal er über weiteres Entwicklungspotential verfügt und bereits weiter verbessert werden konnte.

Parallel zu den Experimente wurde die Versuchanlage TRENTA im halbtechnischen Maßstab für einen Durchsatz von 0,5 m3/a konzipiert. Die Anlage wird mit LPCE-Kolonne und Elektrolyseur zunächst im offenen und später im geschlossenen Kreislauf be-

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Es war nicht möglich, diesen Apparat bei der Industrie zu kaufen. Deshalb wurde er mit Hilfe eines Ingenieur-Büros aus-gelegt und konstruiert und wird in der Hauptwerkstatt des For-schungszentrums gebaut.

trieben. Die Komponenten der Anlage sind geliefert, mit dem Aufbau wurde begonnen.



49180 V49687

Dr. C.J. Caldwell-Nichols HVT-TL Dr. I. Cristescu (Gastwissenschaftler) Dr. I.-R. Cristescu (Gastwissenschaftlerin) H.J. Fiek Ing. Büro Fiek E. Hutter IHM W. Jung HVT-TL U. Tamm IHM S. Welte HVT-TL

31.07.03 IHM Tritium-Abtrennung aus Blanket-Spül- und Kühlgasen

Die Tritium-Extraktion aus dem ITER-Helium Cooled Pebble Bed (HCPB) Test Blanket Module (TBM) geschieht durch Aus-frieren des als Wasser entstehenden Tritiums in einer Kaltfalle, sowie des molekularen Tritiums durch Adsorption in einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten Molekularsieb-Adsorber.

Eine Kaltfalle, die aus übereinander angeordneten gekühlten Kupferböden als Kondensationsflächen für das Wasser aufge-baut ist, wurde in eine Vorprüfanlage im TLK eingesetzt und damit eine Reihe von Versuchen durchgeführt. Als Hauptpara-meter wurden der Helium-Durchsatz, die Eintrittskonzentration des Wasserdampf-Anteils und die Zahl der gekühlten Böden, d.h. die angebotene Ausfrierfläche, untersucht. Das zu prozes-sierende Gas wurde mit einem Gasbefeuchter simuliert, der mit Ethanol als Medium für die Einstellung des Taupunktes arbeitet. Dieser Befeuchter kann einen Heliumstrom liefern, der Wasser-dampf von 0,5 bis 6000 ppmv enthält. Es wurden Versuchsläufe mit niedrigem (1,7 l/min), mittlerem (8 l/min) und hohem (33 l/min) Gasdurchsatz durchgeführt, wobei der Feuchtegehalt von 10 bis 16 ppmv variierte. Die Wirksamkeit der Kaltfalle wurde danach bewertet, wie viele Böden durch den flüssigen Stickstoff gekühlt werden mussten, um eine Restfeuchte von kleiner 0,1 ppmv im Gasstrom zu erreichen (Abbildung).

Kryogener Molekularsieb-Adsorber.



44993V51066

Dr. N. Bekris HVT/TL H. Dittrich HVT/TL E. Hutter IHM F. Kramer HVT/TL U. Tamm IHM

31.20 Sonderprojekt Mikrowellenheizung (PMW) für Wendelstein 7-X

Das Vorhaben umfasst die Entwicklung, den Bau und die Inbe-triebnahme des kompletten 10 MW-140 GHz-Elektronen-Zyklot-ron-Resonanz-Heizungssystems (ECRH) für nahezu stationären Betrieb ( 30 Minuten ) am zukünftigen Stellarator W7-X in Greifswald in Zusammenarbeit mit dem IPP Garching und dem Institut für Plasmaforschung der Universität Stuttgart sowie in Abstimmung mit der Projektleitung Aufbau W7-X des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik Garching/Greifswald (IPP). Mit der ECRH soll das Plasma aus dem neutralen Füllgas heraus erzeugt (Ionisation) und aufgeheizt werden. Dadurch kann der für Fusionsreaktoren relevante Plasmaparameterbereich mit großer freier Weglänge erreicht werden. Außerdem soll mit der ECRH auch ein stationärer, nicht induktiver Strom getrieben werden, der im stationären Betrieb eine gezielte Beeinflussung des Stromdichteprofils zur Verbesserung des Plasmaeinschlus-ses erlaubt. Die Mikrowellenleistung soll von zehn 140 GHz Gyrotrons mit einer Leistung von jeweils 1 MW erzeugt und über zwei Vielstrahl-Wellenleiter von etwa 55 m Länge von den Gy-rotrons zum Plasmatorus übertragen werden.

Beispiel der Wirksamkeit der Kaltfalle.

Die zweite Hauptkomponente im Tritium-Extraktionsprozess, das Molekularsieb-Adsorberbett (Abbildung), wurde spezifiziert. Es wird bei Flüssigstickstoff-Temperatur betrieben, um die Wasserstoff-Spezies im Blanket-Spülgas zu adsorbieren. Die Auslegung sieht zwei Regenerierschritte vor: die Desorption des adsorbierten Wasserstoffs durch Anheben der Temperatur des Adsorbents auf 150 K und die vollständige Regeneration durch Aufwärmen des Bettes auf 300°C. Bei diesem zweiten Schritt werden alle koadsorbierten Verunreinigungen freigesetzt.

10

31.20.10 IHM Prototyp-Gyrotron-Entwicklung für ECRH an W7-X

Ein 1 MW, 140 GHz Gyrotron mit CVD-Diamantfenster für Dau-erbetrieb (CW) und mit einem einstufigen Kollektor zur Energie-rückgewinnung (SDC) zur Erhöhung des Wirkungsgrades wurde zusammen mit CRPP Lausanne und Thales Electron Devices (TED), Vélizy, ausgelegt und gebaut. Es arbeitet in der TE22,8-Mode und erzeugt einen linearpolarisierten TEM00-Gaußschen Hochfrequenzstrahl.

Die Hauptschwierigkeiten für Hochleistungs-Gyrotrons bei ho-hen Frequenzen entstehen durch die Ohm'sche Heizung der Resonatoroberfläche, durch die dielektrischen Verluste im Aus-gangsfenster und durch die Leistungskapazität des Kollektors.

Die Hauptschwierigkeiten für Hochleistungs-Gyrotrons bei ho-hen Frequenzen entstehen durch die Ohm'sche Heizung der Resonatoroberfläche, durch die dielektrischen Verluste im Aus-gangsfenster und durch die Leistungskapazität des Kollektors. Ausgangsleistung als Funktion der Beschleunigungsspannung Ausgangsleistung als Funktion der Beschleunigungsspannung

mit und ohne Gegenspannung. mit und ohne Gegenspannung. Die technische Grenze für die Leistungsdichte an der Resona-toroberfläche beträgt etwa 2 kW/cm2 bei Dauerbetrieb. Aus die-sem Grund müssen Hochleistungsgyrotrons mit hohen Volu-menmoden in großen Resonatoren betrieben werden.

Die technische Grenze für die Leistungsdichte an der Resona-toroberfläche beträgt etwa 2 kW/cm2 bei Dauerbetrieb. Aus die-sem Grund müssen Hochleistungsgyrotrons mit hohen Volu-menmoden in großen Resonatoren betrieben werden.

Die Kollektorgegenspannung konnte bis 33 kV ohne Erhöhung des Bodystromes (kleiner als 10 mA) und ohne Leistungseinbu-ßen (Abbildung) erhöht werden.

Die Kollektorgegenspannung konnte bis 33 kV ohne Erhöhung des Bodystromes (kleiner als 10 mA) und ohne Leistungseinbu-ßen (Abbildung) erhöht werden.

Ein wichtiger Durchbruch auf dem Wege zu CW-Quellen ist die Verwendung von Diamantfenstern, die durch "chemical vapor deposition (CVD)" hergestellt werden und die den Betrieb von Gyrotrons bei Leistungen von 1 MW ermöglichen.

Ein wichtiger Durchbruch auf dem Wege zu CW-Quellen ist die Verwendung von Diamantfenstern, die durch "chemical vapor deposition (CVD)" hergestellt werden und die den Betrieb von Gyrotrons bei Leistungen von 1 MW ermöglichen.

Ein einstufiger vorgespannter Kollektor zur Energierückgewin-nung erhöht den Gesamtwirkungsgrad eines Gyrotrons auf etwa 50%, gleichzeitig wird die thermische Belastung des Kollektors beträchtlich gesenkt. Die Vor-prototypröhre (Maquette) wurde erst im Kurzpulsbetrieb getestet. Die gemessenen Profile des Hochfrequenz (HF)-Ausgangsstrahls stimmen gut überein mit den gerechneten Strahlprofilen (Abbildung).

Ein einstufiger vorgespannter Kollektor zur Energierückgewin-nung erhöht den Gesamtwirkungsgrad eines Gyrotrons auf etwa 50%, gleichzeitig wird die thermische Belastung des Kollektors beträchtlich gesenkt. Die Vor-prototypröhre (Maquette) wurde erst im Kurzpulsbetrieb getestet. Die gemessenen Profile des Hochfrequenz (HF)-Ausgangsstrahls stimmen gut überein mit den gerechneten Strahlprofilen (Abbildung).

Ausgangsleistungen als Funktion der Kollektorspannung zur Energierückgewinnung. Ausgangsleistungen als Funktion der Kollektorspannung zur Energierückgewinnung.

Eine kalorimetrische Leistungsmessung war im Langpulsbetrieb nicht möglich, da die Wasserlast auf Grund von starken Reflek-tionen nicht die richtigen Werte wiedergab. Zwischen Gyrotron und Wasserlast waren in einer HF-Messkammer zwei fokussie-rende Spiegel eingebaut, von denen der 2. Spiegel mit einem Richtkoppler ausgerüstet war. Dieser Richtkoppler war mit einem Diodendetektor versehen. Nach einer Eichung im Kurz-pulsbetrieb mit dem vorhandenen Kalorimeter konnte das Diodensignal zur Leistungsmessung im Langpulsbetrieb benutzt werden. Die Ergebnisse der Langpulsexperimente sind in der Tabelle und in der nächsten Abbildung zusammengefasst. Zum weltweiten Vergleich enthält diese Abbildung auch einige Ergebnisse anderer Labors.

Eine kalorimetrische Leistungsmessung war im Langpulsbetrieb nicht möglich, da die Wasserlast auf Grund von starken Reflek-tionen nicht die richtigen Werte wiedergab. Zwischen Gyrotron und Wasserlast waren in einer HF-Messkammer zwei fokussie-rende Spiegel eingebaut, von denen der 2. Spiegel mit einem Richtkoppler ausgerüstet war. Dieser Richtkoppler war mit einem Diodendetektor versehen. Nach einer Eichung im Kurz-pulsbetrieb mit dem vorhandenen Kalorimeter konnte das Diodensignal zur Leistungsmessung im Langpulsbetrieb benutzt werden. Die Ergebnisse der Langpulsexperimente sind in der Tabelle und in der nächsten Abbildung zusammengefasst. Zum weltweiten Vergleich enthält diese Abbildung auch einige Ergebnisse anderer Labors.

Gerechnete und gemessene HF-Strahlprofile in verschiedenen Gerechnete und gemessene HF-Strahlprofile in verschiedenen Abständen zum Fenster. Abständen zum Fenster.

Im Kurzpulsbetrieb wurde die Ausgangsleistung als Funktion der Beschleunigungsspannung zwischen Kathode und Resonator jeweils ohne Gegenspannung und mit einer Gegenspannung von 25 kV zur Energierückgewinnung gemessen (Abbildung). Ohne Gegenspannung wurde eine Ausgangsleistung von 1 MW bei einer Beschleunigungsspannung von 82 kV erreicht. Mit einer Gegenspannung wurden ähnliche Werte der Ausgangs-leistung bei entsprechender Beschleunigungsspannung erzielt. Hierbei konnten jedoch Beschleunigungsspannungen bis zu 84 kV angelegt werden, ohne die Modenstabilität zu verlieren. Ausgangsleistungen von 1,15 MW wurden erreicht entspre-chend einem Wirkungsgrad von 49%. Diese Leistung wurde kalorimetrisch nahe dem Röhrenausgangsfenster gemessen. Auch in einem Abstand von 2,5 m konnte eine Leistung von 1,12 MW gemessen werden.

Im Kurzpulsbetrieb wurde die Ausgangsleistung als Funktion der Beschleunigungsspannung zwischen Kathode und Resonator jeweils ohne Gegenspannung und mit einer Gegenspannung von 25 kV zur Energierückgewinnung gemessen (Abbildung). Ohne Gegenspannung wurde eine Ausgangsleistung von 1 MW bei einer Beschleunigungsspannung von 82 kV erreicht. Mit einer Gegenspannung wurden ähnliche Werte der Ausgangs-leistung bei entsprechender Beschleunigungsspannung erzielt. Hierbei konnten jedoch Beschleunigungsspannungen bis zu 84 kV angelegt werden, ohne die Modenstabilität zu verlieren. Ausgangsleistungen von 1,15 MW wurden erreicht entspre-chend einem Wirkungsgrad von 49%. Diese Leistung wurde kalorimetrisch nahe dem Röhrenausgangsfenster gemessen. Auch in einem Abstand von 2,5 m konnte eine Leistung von 1,12 MW gemessen werden.

Tab. 1: Langpuls-Ergebnisse Tab. 1: Langpuls-Ergebnisse

Puls-länge Puls-länge

Leistung Leistung MW MW

Strom Strom (gemittelt) (gemittelt)

Beschleu-nigungs-

spannung

Beschleu-nigungs-

spannung

Kollektor-gegen-

spannung

Kollektor-gegen-

spannung

Wirkungsgrad Wirkungsgrad ( mit Gegen-spannung)

( mit Gegen-spannung)

180 s 0.47 39 A 77 kV 27.7 kV (23) %

140 s 0.64 80.2 kV 27-30 kV

Ersetzen des Spiegels in der HF-Absorberlast

100 s 0.74 40.7 A 82 kV 24.5 kV (32) %

45 s 0.89 41.5 A 80.0 kV 25.6 kV 26 (39) %

10 s 0.98 39.5 A 83.5 kV 30.3 kV 29 (47)%)

5 s 1.05 39.3 A 83.4 kV 30.3 kV 32 (50) %

1.5 ms 1.15 40 A 84 kV 25 kV 34 (49) %

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Zu Beginn der Experimentierphase waren Hochleistungsmes-sungen durch Überschläge in der HF-Absorberlast nur begrenzt möglich. Deshalb wurde der rotierende Spiegel in der Last durch einen festen konischen Spiegel ersetzt. Mit dieser Anordnung konnten die Überschlagsfeldstärken wesentlich heraufgesetzt werden. Ausgangsleistungen von 1 MW wurden bei einer Puls-länge von 10 s und einem Wirkungsgrad von fast 50% erreicht. Bei einer Pulslänge von 45 s wurden Ausgangleistungen von nahezu 0,9 MW gemessen. Bei einer Leistung von 0,64 MW und einer Pulslänge von 140 s wurden 90 MJ pro Puls erzeugt, ein Rekordwert für Hochleistungsgyrotrons.

Die in der Tabelle aufgeführten Pulslängen wurden nicht durch Gyrotronbedingungen, sondern durch die vorgewählte Zeit definiert. Wegen Mangel an Experimentierzeit konnte nicht versucht werden, die Pulslängen zu erhöhen. Trotzdem zeigten sich während des Betriebes starke Druckerhöhungen in der Röhre. Nach Beendigung der Messungen wurde das Gyrotron zu Thales Electron Devices zurückgeschickt, dort aufgeschnitten und einer visuellen Inspektion unterzogen. Als wesentliche Beschädigungen zeigten sich eine Deformation des Kollektors sowie Stellen mit angeschmolzenem Edelstahl in der Spiegel-box. Der erste Defekt wird auf falsche Behandlung während des Pulsbetriebes zurückgeführt, der zweite Defekt soll bei der nächsten Röhre durch eine verbesserte geometrische Konstruk-tion und verbesserte Wasserkühlung der Spiegelbox vermieden werden.

Video-Aufnahmen während der Leistungsmessungen zeigten Lichtemissionen am Gyrotron-Fenster, die irregulär verteilt waren (Abbildung). Ihre Anzahl und Intensität stieg stark an mit zunehmender Leistung. Daher wurden als Teil der Langpuls-messungen Studien an gelöteten und unbearbeiteten CVD-Diamanscheiben durchgeführt, die unter Raumatmosphäre im HF-Strahl platziert waren. Videobilder der nackten Diamant-scheiben außerhalb des Gyrotrons zeigten keine solchen Licht-punkte, obwohl diese Scheiben ähnlichen Behandlungen unter-worfen waren. Die Leichterscheinungen treten nur an der eva-kuierten Innenseite des Gyrotrons auf.

Videobild des Maquette-Fenster während eines 750 kW/6secPulses.



4641546513493654936649367

V49411V49773

49635V49884V49889V49891

502455025050251

V502615089851033511195112251140

DI A. Arnold (Uni Karlsruhe) Prof. Dr. E. Borie Dr. G. Dammertz P. Grundel Dr. S. Illy H. Kunkel Dr. M. Kuntze DI W. Leonhardt D. Mellein DI G. Neffe S. Nold Dr. B. Piosczyk DI M. Schmid W. Spiess J. Szczesny Prof. Dr. M. Thumm Dr. R. Heidinger (IMF I) Dr. G. Michel (IPP Greifswald) Dr. V. Erckmann (PMW)

31.20.30 IHM Übertragungsleitung für ECRH an W7-X

Die Übertragung der Millimeterwellen für die ECRH an W7-X wird quasi-optisch über ein modulares Spiegelsystem durchge-führt. Die einzelnen Ausgangsstrahlen der Gyrotrons werden mit jeweils zwei Spiegeln an das System angepasst; zwei weitere gerillte Spiegel ermöglichen die individuelle Einstellung der Polarisation der Millimeterwellen. Das Herzstück der etwa 55 m langen Strecke bilden zwei Vielstrahl-Wellenleiter, die die Über-tragung von bis zu 6 Strahlen bei 140 GHz (und optional eines weiteren Strahls bei 70 GHz) ermöglichen. Im Bereich des Torus werden die Strahlen über Spiegelarrays wieder in Einzelstrahlen aufgeteilt und über Vakuumfenster und individuell steuerbare Antennen im Vakuumgefäß ins Plasma fokussiert.

Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt des Übertragungskanals mit Anpassoptik, Polarisatoren, Strahlkombination und Viel-strahlsystem.

Nachdem die berechneten Übertragungseigenschaften des Vielstrahl-Wellenleiters mit Hilfe von Niederleistungs-Mes-sungen im wesentlichen verifiziert wurden, konnten im Berichtsjahr Prototypen der wassergekühlten Spiegel auf ihr Verhalten bei thermischer Belastung geprüft werden. Hierzu wurden die Reflexionsverluste des Millimeterwellenstrahls durch Infrarot-Strahlung oder durch sprunghafte Erhöhung der Kühlwassertemperatur simuliert. Es zeigte sich, dass in allen Fällen (Einzelstrahlspiegel, Polarisator, Vielstrahlspiegel) die resultierende Verformung der Spiegeloberfläche mit den Berechnungen übereinstimmte und damit im tolerablen Bereich blieb. Zwei Prototypen der Anpass-Spiegel sowie verschiedene Koppler zur Leistungsmessung waren am Gyrotron-Teststand installiert und konnten dort unter realistischen Bedingungen (siehe 31.20.10) getestet werden, wobei keine Probleme auftraten.

Die Serienfertigung von Anpass-Spiegeln, Polarisatoren und Hilfsspiegeln, Strahlverteiler- und Strahlkombinations-Arrays sowie der Vielstrahlspiegel konnte daraufhin in Auftrag gegeben werden. Wasserkühlung, Montagevorrichtungen und Halterun-gen für die Spiegel wurden am IPP Greifswald installiert.

Im Bereich Konstruktion konzentrierten sich die Arbeiten auf spezielle Spiegel zum Umschalten zwischen verschiedenen Übertragungskanälen (z.B. zwischen Plasmabetrieb und Test-betrieb auf eine Absorberlast) sowie auf die Entwicklung einer Kalorimeterlast zur Leistungsmessung.

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Vielstrahlübertragungssystem an W7-X: (CAD-)Blick in den Strahlkanal, der die ECRH Halle mit dem Experiment-Gebäude verbindet. Oben sind 3 Strahlkonditionierungs-Einheiten beste-hend aus Anpass-Spiegeln M1, M2 und Polarisatoren P1, P2 abgebildet. Die Strahlen werden mit dem Reflektor-Array M4 zusammengeführt und über die MBWG Spiegel M5, M6….zu W7-X übertragen. Kalorimeter C und Absorberlast D werden für Leistungsmessung und Langpuls-Tests benutzt.



49570 47542

Dr. G. Dammertz Prof. Dr. M. Thumm Dr. G. Gantenbein (IPF Stuttgart) Dr. H. Hailer (IPF Stuttgart) Dr. W. Kasparek (IPF Stuttgart) M. Krämer (IPF Stuttgart) R. Munk (IPF Stuttgart) C. Rieper (IPF Stuttgart) P. Salzmann (IPF Stuttgart) Dr. P.G. Schüller (IPF Stuttgart) Dr. K. Schwörer (IPF Stuttgart) Dr. R. Wacker (IPF Stuttgart) W. Xu (IPF Stuttgart) D. Arz (IPP Garching) DI M. Weißgerber (IPP Garching) Dr. V. Erckmann (PMW) F. Hollmann (IPP Greifswald)) Dr. G. Michel (IPP Greifswald)

31.20.40 IHM In-Vessel-Komponenten für ECRH an W7-X

Für die Heizung von Hochdichte-Plasmen bei der zweiten Har-monischen in der sogenannten ordentlichen Mode ist die Ab-sorption sehr gering. Um die HF-Welle in kontrollierter Weise in das Plasma zurückzustrahlen, muss die Torusinnenseite mit geeigneten Materialien belegt werden. Die Entwicklungen zur Optimierung dieser Oberflächenstrukturen auf der Torusinnen-seite des W7-X Vakuumgefäßes wurden fortgesetzt.

Für die Innenwandauskleidung wurden in Zusammenarbeit mit dem Bereich Materialforschung am IPP-Garching und dem IPF-Stuttgart Materialuntersuchungen mit Wolframbeschichtungen auf Graphitkacheln durchgeführt. Hierbei erwiesen sich die Mikrowelleneigenschaften dieser Beschichtungen als sehr günstig, so dass diese Art von Kacheln für die Mikrowellen-reflektoren an der Innenwand verwendet werden kann.

Es zeigte sich, dass Molybdänlegierungen, die als Struktur-material vorgesehen sind, auch eine hohe Reflektivität für Mik-rowellen besitzen.

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Plasmaphysik der Uni-versität Mailand wurden experimentelle und theoretische Unter-suchungen zur Intensität und Verteilung der nicht absorbierten

Streustrahlung im Torusgefäss durchgeführt. Wegen seiner ähnlichen Geometrie sind die Messergebnisse aus dem Gar-chinger Experiment Wendelstein 7-AS besonders einfach auf Wendelstein 7-X übertragbar. Dank der Messungen ist es nun möglich, die Vielzahl von einzeln nicht modellierbaren Einbauten in den Modellrechnungen statistisch zu erfassen, wodurch die Vorhersagegenauigkeit der Modelle für Wendelstein 7-X ver-bessert werden konnte.



50269 Dr. G. Dammertz Prof. Dr. M. Thumm Dr. W. Kasparek (IPF Stuttgart) R. Wacker (IPF Stuttgart) Prof. H. Bolt (IPP Garching) Dr. M. Hirsch (IPP Greifswald) Dr. H. Laqua (IPP Greifswald) Dr. G. Michel (IPP Greifswald) Dr. F. Gandini (IPP Mailand) Dr. V. Erckmann (PMW)

31.20.50 IHM Kühlsystem für ECRH an W7-X

Die Spezifikationen des Kühlmoduls für das quasioptische Übertragungssystem mit einer Gesamtleistung von 700 kW und einer Durchflussgeschwindigkeit von 150 m3/h wurden erstellt, der Bau des Kühlmoduls in Auftrag gegeben.

Vier Kühlmodule für die Serien-Gyrotrons wurden im IPP Greifswald aufgebaut. Sie bestehen aus drei unabhängigen Kühlkreisläufen für die verschiedenen Gyrotronkomponenten. Der Kollektorkreislauf hat eine Leistung von 1,6 MW bei einem Kühlwasserdurchfluss von 108 m3/h (Abbildung).

Das Kühlmodul für die HF-Wasserlast mit einer Kühlleistung von 1 MW bei 50 m3/h Durchfluss ist fertiggestellt.

Gyrotron-Kühlwassermodul



50252 Dr. G. Dammertz P. Grundel H. Kunkel DI W. Leonhardt D. Mellein DI G. Neffe DI M. Schmid Prof. Dr. M. Thumm Dr. G. Müller (IPF Stuttgart) W. Xu (IPF Stuttgart) Dr. V. Erckmann (PMW)

13

31.20.60 IHM Energieversorgung für ECRH an W7-X



50249 Dr. G. Dammertz W. Leonhardt M. Schmid Prof. Dr. M. Thumm Dr. P. Brand (IPF Stuttgart) Dr. G.A. Müller (IPF Stuttgart) F. Müller (IPF Stuttgart) H. Schlüter (IPF Stuttgart) R. Schütz (IPF Stuttgart) Dr. G. Michel (IPP Greifswald) Dr. V. Erckmann (PMW)

Für den Betrieb eines Gyrotrons sind neben der Hochleistungs-Hochspannungsversorgung für den Elektronenstrahl noch zu-sätzliche elektrische Aggregate erforderlich: Zur Einstellung einer eng tolerierten Stromstärke für den Elektronenstrahl eine hochgenaue Stromversorgung für die Kathodenheizung des Gyrotrons und zur Kontrolle der Ausgangsleistung des Gy-rotrons eine präzise und schnelle Regelung der Hochspan-nungsquelle zur Beschleunigung des Elektronenstrahls.

31.20.70 IHM MSR-Technik für ECRH an W7-X

Das Vorhaben umfasst die Entwicklung und den Aufbau der Mess-, Steuer- und Regeltechnik (MSR), sowie der Mikrowellen-diagnostik für die ECRH an W7-X. Dazu wurde das Konzept des Steuerungs- und Kontrollsystems für das Prototypgyrotron im FZK Gyrotronstand verbessert und erweitert.

Zur Steuerung der Spiegelübertragungsleitungen wurden 16 systemprogrammierbare Steuerungen (SPS) beschafft. In das Prototyp-Programm zur Spiegelsteuerung wurde eine TCP/IP-Schnittstelle eingebaut, die eine Fernbedienung und -beobach-tung der Spiegelsteuerung ermöglicht. Zusätzlich wurde ein Frontend programmiert, mit dessen Hilfe die Spiegelsteuerun-gen fernbedient werden können. Als weitere Aufgabe steht der Ausbau der SPS-Programme von vier auf acht Spiegel an, die später von einer SPS bedient werden sollen.

Schaltbild der HV-Anordnung.

Zum Geräteschutz des Gyrotrons bei internen Spannungs-durchbrüchen muss die dissipierte Energie mittels schneller Abschaltung der Hochspannungsquellen auf wenige Joules limitiert werden. Diese Abschaltung erfolgt durch einen schnel-len Hochspannungs- Kurzschlussschalter, der mittels eines Thy-ratrons realisiert wird. Die Funktionalität derartiger Baugruppen wurde bereits an Gyrotrons getestet, die an W7-AS im IPP-Garching in Betrieb sind. Am Teststand im FZK wurde ein Hochspannungsregler für die Leistungsmodulation des 1 MW Vor-Prototypgyrotrons erfolgreich für die Leistungsstabilisierung bei Pulslängen im Minutenbereich eingesetzt.

Zur Steuerung der HV-Anlage wurde eine SPS programmiert, die die Kommunikation mit der HV-Leitwarte bewältigt. Ein Bedienprogramm dafür wurde erstellt. Es beinhaltet zusätzlich Modulation und Tuning für die verschiedenen Hardware-Signale. Die Modulation erfolgt mit einem Funktionsgenerator. Damit stehen alle Bedien- und Beobachtungsparameter für die katho-denseitige Hochspannung zur Verfügung.

Die Schaltungsentwicklung für alle diese Zusatzaggregate für die W7-X Serien-Gyrotrons ist noch in Bearbeitung und erfolgt durch Computersimulation mittels P-Spice. Dabei werden die spezifischen Eigenschaften der Hochleistungs-Hochspannungs-versorgung berücksichtigt, um die gewünschten Funktionen erfüllen zu können. Die Programmierung dieser Zusatzaggre-gate wird durch Simaticsteuerungen über Profibus realisiert; die schnelle Übertragung analoger Daten erfolgt über LWL-Strecken zwischen synchronisierten ADC und DAC.



50254 Dr. G. Dammertz H.R. Kunkel DI W. Leonhardt R. Lukits Prof. DR. M. Thumm Dr. G. Michel (IPP Greifswald) Dr. V. Erckmann (PMW)

Die Installation der 24 Hochspannungskäfige am IPP Greifswald (für 12 Gyrotrons mit Stromversorgung) wurde abgeschlossen. Dies umfasst auch die Zugangskontrollen (Druckluftverschlüsse, bedienbare Erdschalter) und die Personensicherheitsmass-nahmen. Die Hochspannungsdurchführungen für die Kathoden-spannungsversorgungen wurden installiert. Die Leistungsver-teiler für alle Hochspannungskäfige wurden komplettiert.

32 Programm Nukleare Sicherheitsforschung (NUKLEAR)

32.22 Innovative Systeme

32.22.08 IHM Oberflächenvergütung mit gepulsten Elektronen- und Ionenstrahlen

Im IPP/Greifswald wurde ein Teststand zur Prüfung der ersten HV-Module aufgebaut. Um die Tests zu ermöglichen, wurde eine provisorische Verriegelung installiert, die die Personensi-cherheit gewährleistet. Der Teststand besteht aus einem ohm-schen Widerstand von 1.4 kOhm, einem Crowbar sowie einer Strom/ Spannungsmessung. Er erlaubt Kurzpulstests auf der Verbraucherseite, wo die spezifizierten transienten Parameter abgeprüft werden können. Erste Tests zeigen ein erhöhtes Überschwingen von 5 kV und ein durch die digitale Signalverar-beitung bedingtes 100 kHz-Rauschen. Kurzschlusstests mit dem Crowbar sind im Moment noch nicht möglich, da die Kurz-schlussfestigkeit der HV-Module (PSM's) noch nicht gewähr-leistet ist.

Turbinenschaufeln

Die Arbeiten zur Oberflächenvergütung von Turbinenschaufeln im Rahmen des Vertrages mit einem Industriepartner wurden fortgesetzt. Ziel der Arbeiten ist, die Oberflächen der Schaufeln durch Behandlung mit der Gepulsten Elektronenstrahl-Anlage (GESA) so zu konditionieren, dass eine lange Haftung von aufgebrachten Wärmedämmschichten (WDS) in der Gasturbine gewährleistet ist. Der Einsatz keramischer Wärmedämmschich-ten (WDS) auf Gasturbinenschaufeln hat die weitere Erhöhung

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des Wirkungsgrads der Gasturbinen zum Ziel. Dies erfordert eine Optimierung des MCrAlY-Coatings, das sowohl den Turbi-nenschaufelgrundwerkstoff vor Oxidation schützen als auch eine gute Anbindung der WDS gewährleisten soll.

Die Arbeiten und Ergebnisse im Berichtszeitraum lassen sich wie folgt beschreiben:

- Es wurden Proben mit/ohne GESA-Behandlung stationär bei 950°C/1000°C oxidiert und nach Auslagerungszeiten von 300 h, 1000 h, 3000 h und 5000 h im Querschliff analysiert. Die Proben wurden nach jedem Intervall von ca. 200 h auf Raumtemperatur abgekühlt und die Anbindung der WDS op-tisch geprüft. Aus den Querschliffen wurde zeitaufgelöst das Wachstum der thermisch gewachsenen Oxidschicht (TGO), der β-verarmten Zone und die Interdiffusion ermittelt. Neben der Standardschutzschicht mit 8 wt%-Al wurden auch zwei Neuentwicklungen mit 10-12 wt% -Al untersucht.

Turbinenleitschaufeln für den Regenbogentest in einer stationä-ren Gasturbine nach der GESA – Behandlung.

Bei 950°C sind, abgesehen von ersten Ausfallerscheinungen an einer GESA-behandelten (3800 h) und einer industriell prä-parierten Neuentwicklung (3000 h), alle übrigen Proben noch intakt. Eine endgültige Bewertung der Ergebnisse bei 950 °C kann erst nach längeren Auslagerungszeiten gegeben werden.

Bei 1000 °C muss zwischen dem Verhalten der Standardschutz-schicht und dem Verhalten der Neuentwicklungen unterschieden werden. Unabhängig von der Vorbehandlung (GESA oder in-dustriell) verhalten sich die Neuentwicklungen statistisch alle identisch. Alle Proben zeigen erste Ausfälle zwischen ca. 600 und 800 h und weisen eine maximale Lebensdauer von ca. 3000 h auf. Die Standardschicht verhält sich weitaus günstiger. Es treten zwar nach 1000 h (industriell) bzw. 3624 h (GESA-Behandlung) auch erste Ausfälle auf, doch sind nach 5004 h noch fast alle Proben intakt. Aus den Auslagerungen bei 1000 °C lässt sich schließen, dass die Standardschicht gegenüber den neuentwickelten Schichten, deutlich höhere Standzeiten besitzt. Vergleicht man die Ergebnisse bei 950 °C mit denen bei 1000 °C, so lässt sich feststellen, dass bei 1000 °C das Versa-gen der Proben um mindestens einen Faktor 4 früher einsetzt.

- Zur Durchführung eines Regenbogentests (verschiedene Testschaufeln werden in einer Gasturbine unter realistischen Betriebsbedingungen eingesetzt) wurden zunächst mehrere ganze Turbinenschaufeln umgeschmolzen, anhand von Qualifizierungsschnitten untersucht und für den Einsatz im Regenbogentest zugelassen. Danach wurden 5 Schaufeln GESA-behandelt und dem Industriepartner übergeben. Der Regenbogentest soll Anfang nächsten Jahres beginnen.

- Eine Designstudie für eine industrielle GESA - Anlage zur Behandlung von Turbinenschaufeln wurde begonnen. Diese

Anlage soll eine Bearbeitungskapazität von 3000 – 5000 Schaufeln pro Jahr haben.

Untersuchungen zur Qualität der Elektronenstrahlen

Für manche Anwendungen z.B. auf dem Gebiet der Oberflä-chenhärtung und Bruchfestigkeitsverbesserung ist die Homoge-nität der Elektronenstromdichte auf dem zu behandelnden Werkstück von ausschlaggebender Bedeutung. Daher wurden im Berichtszeitraum weiterhin eine Reihe von experimentellen- und theoretischen Grundlagenuntersuchungen zur Strahlerzeu-gung und zur Verbesserung der Strahlhomogenität durchge-führt. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

- Zur Beschreibung der Expansion des Targetplasmas, das sich bei der Wechselwirkung des Elektronenstahls mit dem Werkstück bildet und hauptsächlich für die Raumladungs-kompensation des Elektronenstrahls verantwortlich ist, wurde ein analytisches Modell entwickelt. Die Voraussagen des Modells wurden experimentell durch Messung der zeitli-chen Entwicklung des Elektronenstrahlpotentials mittels ei-ner kapazitiven Sonde bestätigt. Für typische GESA Para-meter bildet sich das Plasma nach ca. 4 µs und breitet sich mit zunehmender Geschwindigkeit in Richtung Kathode aus.

- Zur Messung der orts- und zeitaufgelösten Leistungsdichte-verteilung am Target wurde eine neue Röntgenstrahldia-gnostik entwickelt, die sich gegenüber der bisherigen direk-ten Messung der Stromdichteverteilung mittels Faradaybe-chern durch eine um eine Größenordnung höhere Ortsauflö-sung auszeichnet. Außerdem ist das Messsignal während der gesamten Pulsdauer von bis zu 40 µs auswertbar wäh-rend die Signale der Faradaybecher nach wenigen µs durch Plasmabildung gestört werden. Die Diagnostik basiert auf der Konversion des Elektronenstrahls in Röntgenstrahlung mit Hilfe eines dünnen Metallblechs aus einem Material ho-her Ordnungszahl. Der Konverter befindet sich in engem Kontakt mit einer Szintillatorscheibe in der die Röntgen-strahlung in Licht gewandelt wird, das mit Hilfe einer Optik auf die Photokathode einer Streak-Framing-Kamera abgebil-det wird.

Momentaufnahme der Leistungsdichteverteilung am Target aufgenommen mit der neuen Röntgenstrahldiagnostik. Die Bildbreite entspricht 10 cm

Diese Diagnostik soll in Zukunft als Standartmeßmethode zur Bestimmung der Strahlhomogenität eingesetzt werden. Sie ermöglicht die direkte Überprüfung der Wirksamkeit von Maß-nahmen zur Verbesserung der Strahlhomogenität in der Diode oder im Driftrohr.

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47993 47994 48590 49459 49460 49705 49706

V49774 49834

V49897 49899 49990 50570

DI W. An Dr. K. Baumung Dr. H. Bluhm Dr. V. Engelko (Gast) Dr. G. Müller Dr. D. Strauß DI (FH) F. Zimmermann

Beispiel zum Korrosionsverhalten von AISI 316L Stahl nach 2000 h Auslagerung in Pb/Bi – Kreisläufen als Funktion der Temperatur. Die Sauerstoffkonzentration im Flüssigmetall be-trug 10-6 wt%, die Fließgeschwindigkeit 1 m/s bei 420 und 600 °C und 0.5 m/s bei 550 °C. Bei den Untersuchungen an Stählen im Originalzustand zeigte sich, dass sich bei 420 °C auf allen Stählen sehr dünne Oxid-schichten bilden, die den Stahl vor der Flüssigmetallkorrosion schützen. Auch nach 4000 h Auslagerung bleibt die Oxidschicht auf allen Stählen intakt. Nach 2000 h bei 550 °C bilden sich teilweise dicke Oxidschichten (<30 µm) aus Magnetit und FeCr-Spinellen, die allerdings bei längerer Auslagerung nach 4000 h teilweise abplatzen, so dass sich zunehmend ein Flüssigme-tallangriff beobachten lässt. Nach der Auslagerung bei 600 °C zeigt sich bereits nach 2000 h ein massiver Korrosionsangriff durch das Flüssigmetall. Flüssiges Blei/ Wismuth löst Legie-rungsbestandteile des Stahls (vor allem Ni) und dringt in die Stahloberfläche ein. Die so geschwächte, nun weiche Stahl-oberflächenschicht wird durch das vorbeifließende Flüssigmetall abgetragen. Bereits nach 2000 h treten lokal Korrosionstiefen von einigen Millimetern auf.

32.23 Studien zur Aktinidenumwandlung

32.23.05 IHM Untersuchungen zu beschleuni-gergetriebenen, unterkritischen Anordnungen Ein vollständig anderes Verhalten konnte auf allen Proben beo-

bachtet werden, in die Aluminium in die Oberfläche einlegiert worden war. Auf allen Proben bilden sich sehr dünne Aluminiumoxidschichten (< 1 µm), die über den gesamten Tem-peraturbereich und Beobachtungszeitraum, die Stähle sowohl vor dem Flüssigmetallangriff als auch vor einer fortschreitenden Oxidation schützen.

Die Lösung der Korrosionsprobleme ist eine Voraussetzung für den Einsatz von Blei- bzw. Blei-Wismut Legierungen als Kühl-mittel bzw. Spallationstarget in zukünftigen ADS-Systemen. Die Flüssigmetallkorrosion besteht in einer stetig voranschreitenden Auflösung von Legierungskomponenten aus dem verwendeten Stahl. Oxidschichten auf dem Stahl können jedoch den Lö-sungsangriff des Flüssigmetalls unterbinden. Damit solche Oxidschichten über lange Zeit stabil bleiben ist eine Kontrolle der Sauerstoffaktivität im Flüssigmetall erforderlich. Die Kon-zentration des Sauerstoffs muss gerade so hoch sein, dass die Stahloberfläche oxidiert ohne dass Flüssigmetalloxide ausge-schieden werden.

Stahl 420°C 550°C 600°C 2000

h 4000

h 2000

h 4000

h 2000

h 4000

h 316 orig. + + + - - -

Al-leg.

+ + + + + +

1.4970 orig. + + + - + -

Al-leg.

+ + + + + +

Manet orig. + + + -

Im Berichtszeitraum wurden Experimente in den Pb/Bi – Kreis-läufen bei IPPE, Obninsk und Prometey, St. Petersburg durch-geführt. Es wurden austenitische und martensitische Stähle über 2000 und 4000 h bei Temperaturen von 420, 550 und 600 °C ausgelagert. Neben Stählen im Originalzustand wurde auch das Verhalten der Stähle mit Al-legierter Oberfläche untersucht. Die Sauerstoffkonzentration in Pb/Bi betrug in allen Kreisläufen 10-6 wt%, die Fließgeschwindigkeit 1 m/s bei 420 und 600 °C und 0.5 m/s bei 550 °C.

Übersicht über das Verhalten von Stählen im Originalzustand und Stähle mit Al-legierten Oberflächen in Pb/Bi – Kreislauf-experimenten.

Aus den Kreislaufexperimenten lässt sich schließen, dass für Temperaturen ab 550 °C nur Al – legierte Stähle dem Korrosi-onsangriff durch flüssiges Pb/Bi widerstehen können. Die Stähle im Originalzustand konnten nur bei der niedrigen Temperatur von 420 °C eine schützende Oxidschicht über die gesamte Auslagerungszeit aufrechterhalten.



4799248771

V492624949550578

Dr. H. Bluhm DG A. Heinzel R. Huber Dr. G. Müller Dr. G. Schumacher (Gast) Dr. T. Y. Song (Gast) DI (FH) F. Zimmermann

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32.23.06 IHM HGF-Strategiefondsprojekt: Thermohydraulische und mate-rialspezifische Untersuchungen zur Wärmeabfuhr von thermisch hochbelasteten Oberflächen mit Hilfe der Flüssigmetallkühlung

Ziel des HGF-Strategiefondprojektes ist es, neue Methoden und Technologien zur Auslegung und Herstellung von Materialien mit hochbelastbaren Oberflächen (z. B. Strahlfenster) zu entwi-ckeln. Diese Oberflächen sollen mit einem korrosiven schweren Flüssigmetall (eutektisches Blei-Wismut) gekühlt werden. Das Strahlfenster ist eine der entscheidenden Komponenten eines Spallationstargets für eine beschleunigergetriebene Anordnung (ADS). Aufgabe dieses Projektes ist die Entwicklung der wis-senschaftlich-technischen Voraussetzungen zur Konzeption und detaillierten Auslegung eines Spallationstargets, das in die Entwicklung der europäischen Demonstrationsanlage einer ADS einfließen wird.

Im Berichtszeitraum wurde die am IHM entwickelte Kontrolle der Sauerstoffaktivität in flüssigem Pb/Bi im THESYS Kreislauf des KALLA – Labors getestet. Die Einstellung der Sauerstoffaktivität im Flüssigmetall basiert auf dem Sauerstoffaustausch zwischen einer Gasphase mit definiertem Sauerstoffpartialdruck und dem Flüssigmetall über dessen freie Oberfläche. Die Messung der Sauerstoffaktivität in Pb/Bi erfolgte dabei mit elektrolytischen Sonden, die im IMF III entwickelt wurden. Im Vordergrund der Arbeiten stand die Messung der Dynamik der Gleichge-wichtseinstellung zwischen der Gasphase und dem Flüssig-metall.

Gleichgewichtseinstellung zwischen Gasphase und flüssigem Pb/Bi im THESYS-Kreislauf nach Änderung der Sauerstoff-aktivität in der Gasphase.

Es konnte gezeigt werden, dass die Aktivitätsänderung in Pb/Bi sehr gut der Änderung der Aktivität in der Gasphase folgt. Für die Erhöhung der Sauerstoffaktivität in Pb/Bi um eine Größen-ordnung benötigt man für die Gleichgewichtseinstellung in THESYS ( 50 l Pb/Bi, Flüssigmetallgeschwindigkeit: 0.2 m/s, Austauschfläche: 0.14 m2) ca. 5 h. Für die Reduktion der Akti-vität hingegen nur die halbe Zeitdauer. Die Unterschiede in der Gleichgewichtseinstellung zwischen Oxidation (Beladung des Flüssigmetalls mit Sauerstoff) und Reduktion lassen sich durch die konkreten Versuchsbedingungen und den Prozess der Gleichgewichtseinstellung erklären. Ferner lässt sich feststellen, dass die Austauschrate und damit die Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung mit der Fließgeschwindigkeit des Flüssigmetalls und der zur Verfügung gestellten Austausch-fläche zunimmt.

Da zum System Pb-Bi-O kaum Literaturdaten zur Verfügung stehen, wurden eine Reihe von thermodynamischen Rechnun-gen durchgeführt um die Sättigungslöslichkeit von Sauerstoff in

Pb/Bi zu bestimmen. Abhängig von den Werten für die Mi-schungsenthalpie von Pb und Bi zeigen sich teilweise erhebliche Unterschiede (Faktor 3) zu den wenigen Literaturdaten. Um experimentell temperaturabhängige Grenzlöslichkeiten und Aktivitätskoeffizienten von Sauerstoff in Pb/Bi zu bestimmen, wurde ein neuer Teststand aufgebaut und in Betrieb genommen. Mit ersten Ergebnissen wird Anfang nächsten Jahres gerechnet.

Die Oberflächenlegierungsbildung in Stählen durch Einschmel-zen von Al mit Hilfe des GESA–Verfahrens und das Korrosions-verhalten dieser Stähle in den PB/Bi – Testständen COSTA wurde systematisch untersucht. Es zeigte sich, das für die selektive Ausbildung von Schutzschichten aus Aluminiumoxid ein Mindestgehalt von 8 wt% Al in die Stahloberfläche einge-bracht werden muss. Ist der Aluminiumgehalt niedriger, bilden sich neben Magnetit ausschließlich FeCrAl-Spinelle und das Oxidationsverhalten unterscheidet sich nur geringfügig von unlegierten Stählen. Ferner konnte festgestellt werden, dass der Al – Gehalt in der Stahloberfläche nicht beliebig hoch sein darf, da sonst nach der GESA – Behandlung Rissbildung an der Oberfläche die Struktur schwächt. Die maximal zulässige Al – Konzentration beträgt je nach Stahlsorte 20 – 30 wt%. Für eine optimale Korrosionsbeständigkeit der Stähle in Pb/Bi sollte der Al – Gehalt in der Stahloberfläche einen Wert von 8 – 15 wt% haben.



487604877149659

V497755053250535

DG A. Heinzel R Huber Dr. G. Müller Dr. G. Schumacher (Gast) Dr. D. Strauß Dr. A. Weisenburger DI (FH) F. Zimmermann

43 Programm Materialforschung (MATERIAL)

43.01 Pulvertechnologie

43.01.05 IHM Elektrodynamische Erzeugung von nanokristallinen Werkstoffen und Millimeterwellen-unterstützte Sintertechnik

Magnetkompression von nanoskaligen Pulvern in Kompuls

Diverse Nanopulver wurden mit Hilfe der Magnetpulstechnik in der Anlage KOMPULS kompaktiert. Die Pulver wurden in ver-schiedenen Labors und teilweise industriell hergestellt.

Aus dem Protonenleiter Bariumzirkonat (BZY10), der im For-schungszentrum Jülich bei der Entwicklung von Brennstoffzellen eingesetzt werden soll, wurden durch Magnetpulskompression Tabletten und Röhrchen hergestellt. Die Gründichte der Tablet-ten mit ca. 15 mm Durchmesser und Dicken zwischen 1,3 und 3mm erreichte 67% der theoretischen Dichte. Die Proben wur-den bei 1650°C in 12 Stunden auf bis zu ca. 90% der theoreti-schen Dichte konventionell gesintert. Sintern dieser Proben zu höherer Dichte ist möglich. Bei der Herstellung von Röhrchen mit Außendurchmessern von 13 bzw. 19 mm und Wandstärken von 1 bis 3 mm gelang es nicht, die Grünkörper intakt von der metallischen Umhüllung zu trennen, in der sich das Pulver beim Kompaktieren befand.

Die Magnetpulskompression wurde auch bei der Suche nach einem kostengünstigen Verfahren zum Verdichten von Silizium eingesetzt. Aus stark agglomeriertem nanokristallinen Silizium-pulver, bereitgestellt von der Universität Duisburg,, konnten

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Tabletten mit 15 mm Durchmesser bis zu Dichten > 60% der theoretischen Dichte gepresst werden. In Kooperation mit einem Hersteller von nanokristallinen Diamanten (Oberfläche 120 bis 530 m2/g) wurde versucht, Tabletten mit 10 mm Durchmesser und ca. 2 mm Dicke zu pressen. Die Qualität der Proben und der Verschleiß an Presswerkzeug hing stark von der Beschaf-fenheit der angelieferten Pulver ab. Im Falle von Diamant-Gra-phit-Mischungen wurde ca. 50% der theoretischen Dichte er-reicht. Eine vergleichbar hohe Dichte wurde beim Kompaktieren einer industriell präparierten Mischung von vorwiegend na-nokristallinem Siliziumnitrid (Oberfläche ca. 65 m2/g) und Binder erzielt. Tabletten aus nanokristallinem mit Yttriumoxid stabili-siertem Zirkonoxid (TZP, Oberfläche ca. 25 m2/g) vermischt mit Binder konnten bis zu 80% der theoretischen Dichte verdichtet werden. Die Analyse dieser Proben ergab eine monomodale Porenverteilung mit einem mittleren Durchmesser von 13 nm.

Röntgenbeugung bei der Umwandlung von γ-Al2O3-Pulver (Partikeldurchmesser 18 nm) in α-Al2O3 (ca. 200 nm).

Schließlich wurde amorphes nanoskaliges AlOOH-Aerogel mit einer spezifischen Oberfläche von 256 m2/g zu transluzenten Grünkörpern gepresst. Aus diesen wurde mit Millimeterwellen bei 800°C nanoskalige Keramik mit 98 m2/g spezifischer Ober-fläche und einem mittleren Porendurchmesser von 12 nm ge-sintert.

Materialeigenschaften bei hohen Verformungsraten

Es wurde ein Laserversuchsstand für Schockwellenexperimente zur Untersuchung der elastisch-plastischen Eigenschaften und der Zugfestigkeit von Werkstoffen bei hohen Verformgeschwin-digkeiten aufgebaut. Kernstück der Anlage ist ein vorhandener Nd-Glas-Diagnostiklaser dessen Pulsenergie von ca. 15 J auf 50 J erhöht wurde. Mit Hilfe eines neuen Oszillators, der mo-nofrequente Pulse ohne statistisch auftretende Spitzen in der zeitlichen und räumlichen Leistungsverteilung liefert, ist es möglich, näher an die kritischen Leistungsdichten der optischen Komponenten heranzugehen und den Ausgangsverstärker zweimal zu durchlaufen. Dadurch konnte die Pulsenergie ver-dreifacht werden. Die geplanten Experimente an Proben aus nanostrukturierten Zirkonoxid konnten noch nicht durchgeführt werden, weil ein Faradayisolator, der für den sicheren Betrieb des Lasers bei Targetexperimenten nötig ist, nicht termingerecht geliefert wurde.

Sintern mit Millimeterwellen und Charakterisierung

Mit Magnetpulskompression hergestellte nanokristalline Grün-körper aus unterschiedlichen Mischungen von Zirkoniumoxid und γ-Al2O3 wurden mit Millimeterwellen gesintert. Aus den gesinterten Proben wurden Biegebruchstäbe für mechanische Untersuchungen im IMF II gefertigt.

Im Rahmen des durch das EU-Growth-Programm geförderten STARELIGHT Projektes zur Herstellung transluzenter Keramik für neuartige Lampen wurden umfangreiche Untersuchungen zum Sintern von hochreinen nanoskaligen α-Al2O3-Proben mit Millimeterwellen durchgeführt. Ziel dieser Untersuchungen ist es, eine feinskalige Keramik mit Korngrößen < 500 nm und einer Restporosität < 0,1% zu produzieren, um die angestrebte Transparenz zu erzielen. Im Gegensatz zu Ergebnissen mit anderen Keramiken ergab sich hier hinsichtlich der Mikrostruktur im Vergleich kein markanter Unterschied zum drucklosen kon-ventionellen Sintern. Dies ist möglicherweise auf die geringe Absorptivität des Materials für Mikrowellen bei Frequenzen bis 30 GHz zurückzuführen. Die Prozesszeiten konnten jedoch von 5 Stunden beim konventionellen Sintern durch den Einsatz der Millimeterwellen auf weniger als eine Stunde reduziert werden. Die erreichten Dichten von 99.8% reichten nicht zur Ausbildung von transparenten Eigenschaften aus, so dass eine anschlie-ßende Behandlung in einer heißen isostatischen Presse (HIP) notwendig ist.



420594754248664

V49261V49265

49266V49387V49410V49412

494374946949570495754959149700

V49753V49818

49861V49887

49892500415009650798508005081851120

DI W. An H. Baumgärtner Dr. K. Baumung Dr. H. Bluhm Dr. R. Böhme Dr. L. Feher A. Flach Dr. G. Link Dr. A. Ludmirsky (Gast) DI (FH) H. Massier DI (FH) J. Singer Prof. Dr. M. Thumm Dr. A. Weisenburger

Untersuchungen zur Herstellung von hochreinem feinskaligem Al2O3-Pulver aus Alaun und zur Phasenumwandlung von γ-Al2O3 in α-Al2O3 unter Einfluss der Millimeterwellen wurden begonnen. Der Umwandlungsprozess beginnt bei 1150°C (Abb. 1). Er ist mit einer deutlichen Vergrößerung der Durchmesser der Pri-märpartikel von 18 nm in den Bereich um 200 nm verbunden. Die Entstehung der für den konventionellen Heizprozess typi-schen und gleichzeitig störenden Temperaturgradienten konnte dank der für die Mikrowellen charakteristischen Volumenheizung erfolgreich vermieden werden. Dieser verfahrenstechnische Vorteil wird sich vor allem bei einem Hochskalieren der Technik mit größeren Pulverchargen in deutlich reduzierten Prozess-zeiten ausdrücken.

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Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik (IHM)und Ionenstrahlen 32.23 Studien zur...

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