Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik (IHM) · 32 Projekt Nukleare...

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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 Leistungsimpuls- und der Hochleistungsmikrowellentechnik. Theorie und Praxis der Erzeugung hoher Energiedichten in Teilchenstrahlen, elektromagnetischen Feldern und Wellen sowie in Materie. Anwendung dieser Verfahren in der Materie-forschung, der Energiegewinnung durch thermonukleare Fusion, der Material-Prozesstechnik und der Umwelttechnik.

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 und andere Baustoffe sowie Edelmetallgekrätzen (PSA, TTM).

− Aufschluss (Elektroporation) von biologischen Zellen mit gepulsten elektrischen Feldern bei Feldstärken im Bereich 106-107 V/m (PSA, TTM).

− Oberflächenvergütung von Metallen und Legierungen mit großflächigen gepulsten, hochenergetischen Elektronen- und Ionenstrahlen (PSF, HGF-Strategiefonds, TTM).

− Elektrodynamische Erzeugung und Komprimierung nano-kristalliner Keramik-, Metall- und Legierungspulver (NWS).

− Physik intensiver Ionenstrahlen und gepulster dichter Plas-men sowie deren Anwendung und Entwicklung von puls-technischen Komponenten zur Erhöhung der Lebensdauer von Pulsed-Power-Anlagen (GRUND). Diese Aktivitäten wurden aufgrund eines Aufsichtsratsbeschlusses mit Ablauf des Berichtsjahres eingestellt.

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 (PKF/PMW). Eine Vor-Prototypröhre konnte in 2000 erfolgreich getestet werden.

− 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) (PKF, HGF-Strategie-fonds). In 2000 konnte mit einem koaxialen Resonator eine maximale Ausgangsleistung von 2,2 MW bei einem Wir-

kungsgrad von 28% gemessen werden. Diese Parameter stellen einen Weltrekord dar.

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

− Sintern von fortschrittlichen Funktions- und Strukturkerami-ken, insbesondere von nanostrukturierten Keramiken, mittels 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 (NWS, TTM).

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

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 beiden Graduiertenkollegs „Numerische Feldberechnung“ und „Anwendungen der Supraleitung“ der Fakultät für Elektrotechnik und Informati-onstechnik 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 und Priv.-Doz. Dr. Gert Meisel Lehrbeauftragter in der Fakultät für Physik der Universität Karlsruhe sind.

Zum Jahresende waren am Institut 47 Mitarbeiter/innen be-schäftigt, darunter 17 Akademiker/innen, 12 Ingenieure und 18 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 7 Sonstige Mitarbeiter/innen, davon 1 Halbtags-kraft, aus Fremdmitteln finanziert. Für Technologie-Transfer-Projekte waren ferner 1 Akademiker und 1 Ingenieur dem Insti-tut zugeteilt. Schließlich zählen noch 5 Nachwuchswissen-schaftler zum Institut. Im Verlaufe des Jahres waren an den Arbeiten des Instituts insgesamt 7 Gastwissenschaftler, 6 Doktoranden/innen (4 vom Forschungszentrum, 2 von der Universität Karlsruhe), 1 Diplomand und 7 Auszubildende beteiligt.

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

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IHM Beiträge zu Vorhaben der Arbeitsschwerpunkte/Projekte

Arbeitsschwerpunkt/ Projekt

Nr. des Vorhabens

Bezeichnung des Vorhabens

21 Projekt Schadstoff- und Abfallarme Verfahren (PSA)

21.14 Stoffliche Verwertung von Abfällen

21.14.01 Feststoffe

31 Projekt Kernfusion (PKF) 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

31.07 Tritiumtechnologie

31.07.02 Tritiumprozesstechnik und -sicherheit 31.07.03 Tritiumextraktionsverfahren

31.20 Sonderprojekt Mikrowellenheizung (PMW) für

Wendelstein 7-X 31.20.10 Prototyp-Gyrotron für ECRH an W7-X

31.20.30 Übertragungsleitungen 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 Projekt Nukleare Sicherheitsforschung (PSF) 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-Strategiefond: Reduktion der Radiotoxizität

(ADS)

43 Nanotechnologie und Werkstoffe für feinskalige Systeme (NWS)

43.01 Nanotechnologie

43.01.04 Elektrodynamische Erzeugung von nanokristallinen

Werkstoffen und Millimeterwellen-unterstützte Sintertechnik

51 Naturwissenschaftliche Grundlagenforschung (GRUND)

51.03 Physik intensiver Ionenstrahlen und gepulster dichter Plasmen

51.03.01 Erzeugung intensiver Strahlungsquellen und

gepulster dichter Plasmen

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

Franka Edelmetallrecycling

GESA-Gepulste Elektronenstrahlanlage Zucker-FRANKA

Speisenregenerierungssystem

3

21 Projekt Schadstoff- und Abfallarme Verfahren (PSA)

21.14 Stoffliche Verwertung von Abfällen

21.14.01 IHM Feststoffe

Ascheinertisierung

Neben der selektiven Auftrennung mehrkomponentiger Stoffe bietet das Elektroimpulsverfahren auf der Basis der FRANKA-Technologie auch die Möglichkeit, die beim Funkendurchschlag im Wasser entstehenden OH— Radikale zum Abbau und zur Immobilisierung von Schadstoffen zu nutzen. Dies ist die Grundlage für die Behandlung von Rost- und Flugaschen an der Müllverbrennungsanlage (MVA) Bielefeld. Die ursprünglich für die MVA-Bielefeld geplante Entwicklung einer zentralen 100 kW-Anlage für die Ascheaufbereitung mit einem Durchsatz von 15 t/h wurde wegen vorübergehend ver-fügbar gewordener anderer Entsorgungsmöglichkeiten zurück-gestellt. Ein Patent auf das Verfahren wurde jedoch inzwischen erteilt. Stattdessen konzentrierten sich die Arbeiten auf die Behandlung von Flugaschen. Ziel ist es, den Gehalt an organischem Kohlen-stoff (TOC total organic carbon), an polyzyklischen Verbindun-gen und an freien Schwermetallen soweit zu reduzieren, dass die Grenzwerte für die Deponierung unterschritten werden. Vorversuche an der Anlage FRANKA-0 ergaben eine Reduktion des Dioxingehalts um bis zu 70%. In der Tabelle ist das Ergeb-nis einer Messung nebst amtlichem Interventionswert für die Summe der Dioxin/Furan-Konzentrationen in Flugasche darge-stellt. Die Ergebnisse sind noch vorläufig. Dies trifft insbeson-dere für den Wert des spezifischen Energieeintrags zu, da lediglich 20 g Asche eingewogen werden konnten. Eine Verstär-kung des Effekts bei Zugabe von Additiven ist zu erwarten. Die Arbeiten sollen in 2001 zusammen mit einem Industriepartner im Rahmen einer bewilligten Förderung durch die Deutsche Bun-desstiftung Umwelt (DBU) fortgeführt werden.

Summe PCDD/PCDF (Dioxine / Furane)

Energieeintrag in kWh/kg

Flugasche unbehandelt

6831 ng /kg 0

Flugasche behandelt

2592 ng/kg ca. 4

Amtlicher Interventionswert Nordrhein-Westfalen

1000 ng/kg -

Baustoffrecycling Mit der Anlage FRANKA-Stein sollen die technischen und wirtschaftlichen Grundlagen für das vollständige Recycling von Beton und anderer Baustoffe auf hohem Qualitätsniveau mit dem Elektroimpulsverfahren untersucht werden.

Um die Verweildauer des zu behandelnden Betonbruchs im Wirkbereich des Arbeitsfunkens besser kontrollieren zu können, mußten die Materialzu- und -abfuhr entsprechend den im vergangenen Jahresbericht beschriebenen Erkenntnissen geändert werden. Bestimmt wird die Verweildauer des Betons bei der nun weitgehend umgebauten Anlage durch die Fördermenge bzw. die Drehzahl des Schneckenförderes.

Der eigentliche Hochspannungspulsgenerator wurde unver-ändert weiter betrieben. Mit der modifizierten Anlage wurden die folgenden wesentlichen Resultate erzielt:

- die Qualität des Recyclingmaterials wird beeinflußt durch die Pulsfrequenz, die Wasserqualität und die Verweildauer. Ist die Pulsfrequenz zu hoch - die Anlage wurde mit bis zu 12 Hz be-trieben - kann das zu bearbeitende Material nicht mehr in den

Reaktionsraum nachfließen und die Entladungen werden ineffi-zient. Diese Schwelle wird bei etwa 6 bis 8Hz erreicht. Eine weitere Grenze für die Effizienz stellt die Leitfähigkeit des Was-sers im Prozessraum dar: für eine effiziente Entladung darf diese den Wert von 800µS/cm nicht überschreiten. Mit diesen Vorgaben konnte eine wesentliche Steigerung des Material-durchsatzes erreicht werden: bei hinreichender Qualität des Recyclingmaterials wurden bis zu 500kg/h bearbeitet.

- die Anlage konnte -bei unterschiedlichen Pulsfrequenzen- in einem Dauerversuch bis zu 8h betrieben werden, wobei eine Menge von insgesamt 2.5 t Betonbruch durchgesetzt wurde. Dabei wurden aber auch die Grenzen der Anlage, insbesondere bei der Handhabung des zu- und abzuführenden Materials, deutlich. Weiterhin traten nach einigen Betriebsstunden Probleme bei der Wasserversorgung auf. Insbesondere behinderte Schaumbildung bei höheren Pulsfolgefrequenzen den Wasserabfluß. Akkumulierte Holz- und Styroporteile verursachten ähnliche Probleme. Schließlich führten mit dem Beton eingetragene Reste von Moniereisen und Draht in einigen Fällen zu einer Beschädigung des Isolators.

- die Qualität des Recyclingmaterials bei einem Durchsatz von 500kg/h dürfte den üblichen Anforderungen genügen, ist aber deutlich schlechter als die Qualität des mit der Franka-0 Anlage behandelten Materials. Als eine der möglichen Ursachen hierfür wird vermutet, dass -im Gegensatz zur Franka-0 Anlage- die Beweglichkeit des Materials in der Reaktionszone stark eingeschränkt ist: mittels des Schwingförderers wird Material oberhalb der Reaktionszone solange in den Reaktionsbehälter eingetragen bis der Rückstau die Zufuhr blockiert.

Die zukünftigen Aktivitäten werden sich deshalb auf die bessere Kontrolle des Materialdurchsatzes durch die Reaktionszone konzentrieren. Weiterhin wird der bisher verwendete 4-stufige Marxgenerator -ausgestattet mit Kondensatoren des russischen Herstellers KVAR- durch einen 6-stufigen Generator ersetzt werden. Dadurch wird die im Reaktionsraum zur Verfügung stehende Energie etwa um den Faktor 8 höher sein was voraussichtlich zu einer deutlichen Erhöhung des erreichbaren Materialdurchsatzes führen wird. Wenn dieser HV Modul die in ihn gesetzten Erwartungen erfüllt, kann er als Basismodul für eine industrielle Anlage im Technikumsmaßstab mit einem Durchsatz von 10 t/h verwendet werden.

Aufschluß pflanzlicher Zellen

Mit Hilfe starker elektrischer Felder läßt sich die Membran pflanzlicher Zellen öffnen, um ihre Inhaltsstoffe zu gewinnen. Um dieses seit langem bekannte biophysikalische Phänomen der Elektroporation technisch in großem Maßstab nutzen zu können, müssen die erforderlichen elektrischen Feldstärken von

Schema der modifizierten Anlage FRANKA-Stein mit neu gestaltetem Prozessraum und Schneckenförderer.

Fragmentierungsprodukte

Wasseraufbereitung

HVLade-gerät

Kontr.

MarxGenerator

Altbeton

HVReaktions-

raum

Schnecken-förderer

Ketten-förderer

fein grob

4

10-100 kV/cm in großen Querschnitten erreicht werden. Daher sind Spannungsamplituden von einigen 100 kV erforderlich. Liegen die genannten Felder genügend lange an, ist die er-reichte Porenöffnung in der Zellmembran irreversibel. Wirt-schaftlich läßt sich das Verfahren nur gepulst betreiben, da sonst zu hohe elektrolytische Verluste eintreten. Unter Berück-sichtigung der Dynamik der Elektroporation liegt das energeti-sche Optimum bei Pulsdauern von einigen Mikrosekunden. Impulse mit diesen Parametern lassen sich mit den für die FRANKA-Technik entwickelten Marxgeneratoren erzeugen. Alternative Prozesse wie der thermische Aufschluß bei erhöhten Temperaturen oder mechanisches Zerreiben des pflanzlichen Materials sind erheblich energieaufwendiger. Als neue Aktivität wurde daher bei einem Industriepartner mit der Elektroporation von Zuckerrüben begonnen. Zu diesem Zweck wurde die mobile Anlage KEA (Karlsruher Elektroporati-onsanlage) entwickelt und vor Ort erfolgreich eingesetzt. Der vollständige Aufschluß der Zuckerrüben, wurde bei einem spe-zifischen Energieeintrag von 5 kJ/kg erreicht. Dies führt zu einer Erwärmung der Rüben von nur 1°C. Die Technik verspricht daher ein erhebliches Einsparungspotential im Energie-verbrauch gegenüber dem üblichen thermischen Aufschluß bei 70 °C. Weitere Verfahrensvorteile können erst nach erfolgter Schutzrechtsanmeldung veröffentlicht werden.

SOS-Halbleiteröffnungsschalter

Halbleiteröffnungsschalter ermöglichen die Entwicklung kom-pakterer und damit kostengünstigerer Hochspannungsimpuls-generatoren für industrielle Anwendungen. Mit gestapelten, in Serie geschalteten Einzelanordnungen lassen sich Impulse von einigen 100 kV bei Impulsleistungen im Gigawattbereich schal-ten. Darüber hinaus sind sie verschleißfrei und besitzen daher sehr hohe Lebensdauern von bis zu 1011 Impulsen. Ihre weitere Optimierung erfordert jedoch ein noch besseres Verständnis ihrer Funktionsweise. Daher wurde im Rahmen einer Doktor-arbeit ein verbessertes numerisches Modell entwickelt und die Betriebsweise der Halbleiteröffnungsschalter in Abhängigkeit vom Dotierungsprofil und der Ladungsträgerbeweglichkeit simu-liert. Dabei zeigte sich, dass die Konzentration von Defekten und Verunreinigungen einen entscheidenden Einfluss auf den Öffnungsvorgang besitzt, was in bisherigen Publikationen nicht erkannt worden war. Auf der Basis dieser numerischen Simula-tionen wurde dann ein elektrisches Modell des Halbleiteröff-nungsschalters für Simulationen in Netzwerkanalyseprogram-men entwickelt und ein neues Generatorkonzept vorgeschlagen. Bei letzterem werden zunächst mehrere Induktivitäten in Serie geladen und danach mit Hilfe von Halbleiteröffnungsschaltern in eine parallele Konfiguration übergeführt. Dadurch tritt eine

Spannungsmultiplikation und eine Leistungssteigerung ein. Die Anordnung kann daher als Pendant zum Marx-Generator mit induktivem Speicher betrachtet werden.

Ergebnis einer Simulation des Halbleiteröffnungsschalters, das die zeitliche Entwicklung der Elektronen- (ne gestrichelt) und Löcherdichte (np gepunktet) sowie der elektrischen Feldstärke (strich-punktiert) in der Halbleiterdiode zeigt. Im Diagramm oben links sind die Stromdichte und die Spannung an der Diode sowie die drei Zeitpunkte, zu denen die Momentaufnahmen der genannten physikalischen Grössen gemacht wurden, dargestellt.

Veröffent-lichungen

Beteiligte Mitarbeiter

4622848425

V484774855948726

V48942V48943

49005

Dr. H. Bluhm DP A. Engelko DP. H. Giese Dr. P. Hoppé H. Lotz J. Marek N. Neubert Dr. D. Rusch Dr. C. Schultheiß DI R. Sträßner

31 Projekt Kernfusion (PKF) 31.02 Strukturwerkstoffe und

hochbelastbare Komponenten 31.02.03 IHM Hochbelastbare Komponenten

und Versuchseinrichtungen

Für nicht normale ITER-FEAT Betriebszustände ist eine umfas-sende Schädigungsanalyse von vertikalem Target und erster Wand durchzuführen. Zur Berechnung der Erosion durch Ver-dampfen und der Produktion und dem Transport von Verunrei-nigungen ins zentrale Plasma bei sog. Edge Localized Modes (ELMs) und Plasmabbrüchen wird der im Forschungszentrum

Elektroporationsanlage mit Pulsgenerator und Reaktor in Metallkabine (rechts) mit Spiral-Förderer (oben, schräg) und Materialaustrag (links). Das Hochspannungsnetzgerät befindet sich in der Mitte.

0 50 100 150 200-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 100 200 3001E12

1E13

1E14

1E15

1E16

1E17

1E18

1E19

1E20

0 100 200 3001E12

1E13

1E14

1E15

1E16

1E17

1E18

1E19

1E20

0 100 200 3001E12

1E13

1E14

1E15

1E16

1E17

1E18

1E19

1E20

Entfernung, µm

Entfernung, µm Zeit, ns

Stro

mdi

chte

, A/c

m2

0

200

400

600

800

3

2

1

Spa

nnun

g, V

E

1

-40

-30

-20

-10

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pn

Dotierung

Ele

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, V/c

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E, V

/cm

Dichte, cm-3

Entfernung, µm

2

Dic

hte,

cm

-3

-2.5x104

-2.0x104

-1.5x104

-1.0x104

-5.0x103

0.0

3

-3.5x104

-3.0x104

-2.5x104

-2.0x104

-1.5x104

-1.0x104

-5.0x103

0.0

5

Karlsruhe entwickelte 2-D Strahlungsmagnetohydrodynamik Code FOREV-2 eingesetzt. Die Stabilität des Plasmaschildes bei vertikalen Targets ist entscheidend für eine effektive Ab-schirmwirkung für niedrige Erosionsraten. Zur Beurteilung der Zuverlässigkeit der Rechenresultate werden Simulations-experimente an vertikalen Graphittargets der Plasmagunanlage MK-200-UG von TRINITI Troitsk mit FOREV-2 nachgerechnet.

Die beobachtete Plasmadrift entlang der Oberfläche vertikaler Graphittargets stromabwärts ist mit klassischer Spitzerdiffusion des kalten oberflächennahen Plasmas erklärbar (Abbildung). Die beobachtete Verschiebung des Erosionsprofils stromauf-wärts ergibt sich aus der zeitlichen Verschiebung des Strah-lungsflusses zum Target.

µ

µ

at 58 s

at 9 s

15 -37 10 cm 10 cm17 -3

2 10 cm15 -3

0 5cm

16 -33 10 cm

20

separatrixdownstream

SSP

Berechnetes Plasmaströmungsmuster (Pfeile zeigen den Plasmafluss ncν) und berechnete Verteilung der Dichte im Kohlenstoffplasma für die MK200 UG Anlage zu 2 ver-schiedenen Zeitpunkten für ein vertikales Target und klassi-sche Diffusion. Die Plasmadrift stromabwärts ist klar zu er-kennen.

Graphit Erosion geschieht über Verdampfung und Rissbildung (Brittle-Zerstörung). Für gepulste volumetrische Heizung durch Runaway-Elektronen (RAEs) dominiert Brittle-Zerstörung. Dabei werden beachtliche Mengen Staub erzeugt. Erste experimen-telle Befunde zeigen, dass Brittle-Zerstörung auch bei gepulster Oberflächenheizung durch heißes Plasma auftritt. Ein 3-D nu-merisches Simulationsmodell zur Beschreibung der Brittle-Zer-störung in gepulsten beheizten Graphitproben wird gegenwärtig entwickelt. Ein 2-D Modell wurde zur Berechnung der Brittle-Zerstörung bei gepulster volumetrischer Heizung mit 70 keV Elektronen aus der JEBIS Anlage verwendet (Abbildung). In ersten numerischen Simulationen wurde untersucht, ob Vor-schädigungseffekte zu einer verstärkten Brittle-Zerstörung führen können. Wird eine vorgeschädigte Probe einer gepulsten zyklischen Wärmebelastung durch heißes Plasma ausgesetzt, könnte dies zu einer drastischen Verstärkung der Graphiterosion führen (Abbildung). Experimente und weitere 3-D Simulations-rechnungen zur Klärung dieses wichtigen Sachverhaltes sind von hoher Priorität.

Die Erosion metallischer Targets geschieht über Verdampfung und Fluiddynamik der Schmelze. Die Schmelzschichtbewegung verursacht eine hohe Erosion und führt zur Bildung einer hohen Oberflächenrauhigkeit und zur Tropfenbildung, wobei unter Umständen auch Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten zur Tropfenbil-dung beitragen. Eine Kombination der Materialien Graphit und Metall kann zur Bildung von komplexen Oberflächenschichten bestehend aus einem Gemisch von Graphitstaub und Metall-tropfen und redeponiertem Material führen. Solche unebenen Schichten haben eine stark reduzierte Wärmeleitfähigkeit und verursachen eine stark erhöhte Verunreinigungsproduktion in Hot Spots. Wie erste numerische Abschätzungen mit FOREV-2 zeigen, muss die tolerierbare ELM-Energie möglicherweise auf Werte unter 0,5 MJ/m² reduziert werden.

i

j200

100

00 100 200

Gittermodell von Graphit zur numerischen Simulation der Brittle-Zerstörung. Einzelne Körner mit gaussverteilter Korn-größe bestehend aus kubischen Einheitszellen sind in unter-schiedlichen Grautönen dargestellt.

after predamaging

0 100µm

after first cycle after second cycle

Berechnete Erosionsmuster für vorgeschädigte Graphit-proben bei nachfolgender zyklischer Wärmebelastung. Die Vorschädigung wurde von RAEs mit einer deponierten Energie von 2 kJ/g erzeugt. Gestrichelt ist die ursprüngliche Probenoberfläche angedeutet.

Zur numerischen Simulation der Fluiddynamik von Schmelzen unter gepulster Wärmebelastung wurde ein 1-D fluiddyna-misches Modell entwickelt. Erste numerische Resultate belegen, dass die Schmelzbewegung zu einer deutlichen Erhöhung der Erosion führen kann (Abb.). Weitere theoretische und begleiten-de experimentelle Untersuchungen sind dringend notwendig.

a) b) c)

position (cm)

Berechnete Schmelzschichterosion für ein vertikales Wolf-ram-Target für typische ITER-FEAT Bedingungen: a) ohne Targetstrom und Lorentzkraft am Ende des Heizintervalls von 1 ms. b) Schmelzschichterosion und Dicke der wieder-erstarrten Schicht ohne Targetstrom. c) Wie b) aber mit zu-sätzlichem Targetstrom von 50 A/cm². Die Lorentzkraft er-höht die Bewegung in der Schmelzschicht und die Oberflä-chenrauhigkeit der wiedererstarrten Schmelze.



47593V47710V47963V47964V47965

4799148078

V48119V48301

Dr. B. Bazylev (Gastwssenschaftler) Dr. F. Kappler Dr. I. Landman (Gastwissenschaftler) Dr. S. Pestchanyi Dr. V. Safronov (Gastwissenschaftler) Dr. V. Tereshin (Gastwissenschafttler) Dr. H. Würz

6



V48667 V48668 V48717 V48718 V48727 V48728 V48729

31.04 Plasmaheiztechnik

31.04.03 IHM Fortschrittliche Hochleistungsgyrotrons

Der physikalische Vorteil der Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Heizung (ECRH) besteht darin, das die Hochfrequenzleistung einfach und gezielt ins Plasma eingebracht werden kann. Die Absorption geschieht im Bereich der Schnittstelle zwischen ECR-Ebene und HF-Strahl. Darüber hinaus hat die ECRH den technologischen Vorteil, dass die HF-Welle quasi-optisch über-tragen werden kann und damit die Antennen weit entfernt vom Plasma angebracht werden können. Dadurch werden Plasma-Verunreinigungen sowie die Rückkopplung des Plasmas auf die Antenne vermieden. Hohe HF-Leistungsdichten (größer 100 MWm-2) können so mit einer einzigen Antennenanordnung erzielt werden, d.h. man braucht weniger Stutzen in der Plasma-Vakuumkammer. Die Millimeterwellen-Vakuumfenster der Transmissionsleitungen dienen als Tritiumbarriere zwischen der Plasmakammer und den HF-Quellen, den Gyrotrons. Die Gyro-trons können somit weit weg vom Plasma betrieben werden.

Leistungsstarke Gyrotrons mit ≥1 MW Ausgangsleistung werden zum Plasmaaufbau und zur Heizung in Tokamaks und Stellaratoren benötigt, sie können aber auch zum nicht-induktiven Stromtrieb, zur Stabilitätskontrolle in Tokamaks und zur Plasmadiagnostik eingesetzt werden. So sind z.B. für das 40 MW ECRH-System von ITER etwa 20-40 CW Gyrotrons bei einer Frequenz von 170 GHz mit 1-2 MW Ausgangsleistung pro Gyrotron erforderlich. Auch beim Stellarator W7-X, der zur Zeit im IPP Greifswald, Mecklenburg-Vorpommern, aufgebaut wird, ist Mikrowellenleistung (140 GHz, 10 MW) zum Plasmaufbau und zur Heizung unabdingbar. Die Entwicklung und der Aufbau des ECRH-Systems für W7-X werden verantwortlich vom FZ Karlsruhe durchgeführt (siehe FuE Nr. 31.20). Hier wird über die Entwicklung von fortschrittlichen Hochleistungsgyrotrons für ITER und ASDEX-Upgrade (HGF-Strategiefonds) berichtet.

Gyrotron mit koaxialem Resonator

Die Leistungsbegrenzungen bei der Ausgangsleistung von Gyrotrons mit zylindrischem Resonator können durch Verwendung eines koaxialen Resonators drastisch vermindert werden, da die reduzierte Modenkonkurrenz sowie die geringere Potentialabsenkung durch die Raumladung des Elektronen-strahles eine extrem hohe Betriebsmode (z.B. TE31,17-Mode bei 165 GHz) ermöglichen. Dadurch kann die Ausgangsleistung im Dauerbetrieb von 1 MW für konventionelle Gyrotrons auf 1,5 – 2 MW je Gyrotron erhöht werden.

Das von FZK innerhalb des ITER-Projektes (Task G 52TT22EU) entwickelte Gyrotron mit koaxialem Resonator wurde mit neuer Elektronenkanone (90 kV, 50 A Dispenser-Kathode) und neuem Modenwandler zur Umwandlung der TE31,17-Mode in einen Gauss'schen Ausgangsstrahl ausführlich untersucht. Dabei wurde ein Quarzfenster mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Dicke von 6 mm (13 halbe Wellenlängen) eingesetzt. Die meisten Daten wurden im Pulsbetrieb mit einer Pulslänge von 1 ms und einer Wiederholfrequenz von 1 Hz aufgenommen.

Als maximale Ausgangsleistung wurden 2,2 MW mit einem Wirkungsgrad von 28 % bei einer Beschleunigungsspannung von 94,6 kV und einer Stromstärke von 84 A gemessen. Diese Parameter bedeuten Weltrekord für Gyrotrons mit schwach-relativistischem Elektronenstrahl. Ausgangsleistung und Wir-kungsgrad als Funktion der Stromstärke sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Beschleunigungsspannung wurden für maximale Ausgangsleistung zwischen 84 kV und 94,6 kV optimiert. Das Magnetfeld betrug 6.65 T.

Numerische Rechnungen mit einem selbstkonsistenten, zeitabhängigen Multi-Mode Code wurden durchgeführt und die Ausgangsleistung bei den gemessenen Strom- und Spannungs-werten berechnet. Die HF-Verluste im Gyrotron wurden mit 10 % abgeschätzt und die Geschwindigkeitsstreuung des Elektronenstrahls wurde zu 5 % angenommen. Die Ergebnisse der Rechnungen (durchgezogene Linie) sind in hervorragender Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die Simulationsrechungen zeigen auch, dass bei nichtkonstanter Tiefe der Längsrillen auf der Oberfläche des Innenleiters des koaxialen Resonators der Modenwettbewerb reduziert und damit die Ausgangsleistung noch weiter erhöht werden könnte.

Der maximale Wirkungsgrad von 30% (48% bei Kollektor mit Gegenspannung) wurden bei einer Ausgangsleistung von 1,5 MW und einer Stromstärke von 56 A gefunden. Die nächste Abbildung zeigt Ausgangsleistung und Wirkungsgrad als Funktion der Gegenspannung am Kollektor. Bis zu einer Gegenspannung von 35 kV blieb die Ausgangsleistung konstant, ohne wesentlichen Anstieg im Body-Strom.

Koaxialgyrotron: Ausgangsleistung und Wirkungsgrad als

Funktion der Kollektorgegenspannung.

0 20 40 60 800,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

η / %

; Pout ; ηout ; exp. P rf ; calc.

P out /

MW

Ib / A

0

10

20

30

40

50

Pout

ηout

Koaxialgyrotron: Ausgangsleistung und Wirkungsgrad alsFunktion des Strahlstromes.

0 5 10 15 20 25 30 350,0

0,5

1,0

1,5

2,0

rf -

outp

ut e

ffici

ency

/ %

rf-output power

rf -

outp

ut p

ower

/ M

W

collector voltage / kV

0

25

50

rf-output efficiency

7

Frequenzdurchstimmbarkeit von Gyrotrons

Zur Stabilitätskontrolle von magnetisch eingeschlossenen Plasmen können in der Frequenz durchstimmbare Gyrotrons eingesetzt werden. Plasmainstabilitäten, z.B. die sog. Neo-klassischen Tearing-Moden (NTM), werden durch Stromtrieb (ECCD) bei festem toroidalem und poloidalem Antennenwinkel unterdrückt.

Zur schnellen Frequenzänderung wurde das 140 GHz TE22,6-Gyrotron mit Quarz-Brewsterfenster durch zwei normalleitende Spulen zwischen supraleitendem Magnetsystem und Gyrotron ausgerüstet. Dadurch wurde eine Magnetfeldänderung im Sekundentakt von ± 326 mT möglich, was einer schnellen Frequenzänderung von ± 7,56 GHz bei 140 GHz entspricht. Die Messungen wurden bei einem Strahlstrom von 40 A und einer Beschleunigungsspannung zwischen 80 und 85 kV bei Ausgangsleistungen von 1 MW durchgeführt. Das Gyrotron wurde in Zeitschritten von 1 s zwischen der TE20,6-Mode bei 132,8 GHz über die TE21,6-, TE22,6-, TE23,6- Mode bis zur TE24,6-Mode bei 147,5 GHz durchgestimmt. Die für jede Mode optimierten experimentellen Parameter wurden als Eingabe für das neue rechnergestützte Gyrotron-Kontrollsystem benutzt. Dieses steuert den Strom in den normalleitenden Spulen und auch die Gyrotronspannung. Verschiedene Modenserien wurden angeregt, eine typische Sequenz ist in der nächsten Abbildung als Beispiel angegeben.

Die Pulslänge war 1 ms, die Zeit zwischen zwei Pulsen betrug 1 s. Somit konnte innerhalb 1 s ein Frequenzsprung von fast 15 GHz erreicht werden (TE20,6 ↔ TE 24,6). Die Anforderungen von ITER (mehrere GHz in wenigen Sekunden) sind hiermit erfüllt.

Schnelle magnetische Frequenzdurchstimmung (1 ms Puls-länge, Tastverhältnis 1:1000).

Die Abbildung zeigt, dass innerhalb einer Sekunde die neuen Parameter genügend stabil sind, um Leistungen ≥ 1 MW zu erzeugen. (Die TE20,6-Mode bildet eine Ausnahme, da aufgrund der schlechten Strahlqualität für diese Mode niederfrequente parasitäre Schwingungen angeregt wurden, die die Ausgangsleistung herabsetzten).

Im HGF-Strategiefonds-Projekt "Optimierung des Tokamak-Betriebs durch geregelte Mikrowellen-Deposition" soll vom Forschungszentrum für ASDEX-Upgrade (IPP Garching) ein von 105 bis 140 GHz durchstimmbares 1 MW-Gyrotron (10s Pulslänge) mit Brewsterfenster aus CVD-Diamant entwickelt werden.

Erste Versuche zur Abhängigkeit der Ausgangsleistung und des Wirkungsgrades vom Geschwindigkeitsverhältnis α (α = vt/vz = Transversal-/Axialkomponente der Geschwindigkeit) wurden mit dem TE22,6-Gyrotron in der TE20,5-Mode bei 121,45 GHz durch-geführt. Im Bereich von α=1,1 bis α= 1,35 konnte keine signifikante Reduzierung der Ausgangsleistung beobachtet

werden. Beim Entwurf der Elektronenkanone des frequenz-durchstimmbaren Gyrotrons für ASDEX-Upgrade kann deshalb auf eine Ausführung als Triode verzichtet werden. Durch Verwendung einer Diode wird ein für Triodenbetrieb zusätzlich notwendiges Hochspannungsnetzgerät vermieden, wodurch der Aufwand wesentlich reduziert ist.



45873458744641846931470604753547581

V476644769947700477044799848055480574806048061480984847448516

V48665V48719V48753V48755V48756

48772V48937

4899649006490074900849009490104901149012

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 (Uni Karlsruhe) H. Kunkel Dr. M. Kuntze Dr. P.K. Liu (Gastwissenschaftler) Dr. B. Pioscyzk J. Szczesny Prof. Dr. M. Thumm R. Vincon

31.04.04 IHM Hochleistungs-Millimeterwellen-Vakuumfenster

Die Übertragung der Hochfrequenz vom Gyrotron zur Plasma-kammer erfordert vakuumdichte Fenster, die gleichzeitig eine Barriere gegen das Entweichen von Tritium und aktiviertem Staub bilden müssen. Zur Zeit werden Einheiten von 1 MW Übertragungsleistung im Dauerbetrieb entwickelt. Solche Fen-ster benötigen ein Material mit niedrigen dielektrischen Verlusten, guten mechanischen Eigenschaften und hoher thermischer Leitfähigkeit. Ein solches Material ist Chemical Vapor Deposited (CVD)-Diamant, das heute in Scheiben bis zu 120 mm Durchmesser und bis zu 2.3 mm Dicke hergestellt werden kann. Die Arbeiten des FZ Karlsruhe zur Entwicklung von mit Wasser am Rand gekühlten Diamantfenstern sind in den ITER-Task G 55TT19EU und die JET-EP eingebunden.

1 MW, 170 GHz, CW Gyrotronfenster für ITER

Zur Fortführung der Experimente in Zusammenarbeit mit dem russischen Home Team wurde eine neue CVD-Diamantscheibe beschafft und in eine neue Fenstereinheit (Scheibendurch-messer 106 mm, Dicke 1.852 mm, Apertur 88 mm) eingebaut. Bei den Niederleistungsmessungen stellte sich jedoch eine Verformung der Scheibe heraus. Das Fenster musste neu

8

gelötet werden, wobei Flansche aus Molybdän statt aus Inconel verwendet wurden.

1 MW, 170 GHz, CW Torusfenster für ITER

Die Auslegung und Herstellung einer 1 MW, 170 GHz, CW, CVD-Diamantfenstereinheit als Modell für ein ITER-Torusfenster (siehe Abbildung) erfolgte in Zusammenarbeit mit dem JA-Home Team. Dazu wurde eine mit Neutronen (E>0.1 MeV) bestrahlte Scheibe (1021n/m2) verwendet (s. Jahresbericht 1999). Die Au/Ti Metallisierung des Scheibenrandes für die Elektrodeposition eines 0.4 mm starken Kupferrandes musste erneuert werden, weil die Haftung der ersten Metallisierung mit dem CVD-Diamant nicht ausreichend war. Die Kupferbeschichtung soll bei einem eventuellen Fensterbruch ein Entweichen von Tritium in das Fensterkühlwasser und umgekehrt das Eindringen von Kühlwasser in das Plasma-Vakuumgefäß verhindern.

ITER-Torusfenstereinheit mit neutronenbestrahlter CVD-Diamantscheibe (Apertur 80 mm).

Die Untersuchungen von CVD-Diamantscheiben für ECRH-Fenstereinheiten wurden mit kommerziellen Scheiben der Kate-gorie "radiofrequency window grade" von DeBeers (Ascot, UK) durchgeführt. Insgesamt wurden 12 Scheiben (106 mm Durch-messer, 1.81 mm Dicke) untersucht. Ein breitbandiges Fabry-Perot Resonatorsystem für 90-100 GHz wurde zur Untersu-chung der Scheibenmitte eingesetzt (Probengröße ≈ 10 mm). Die entsprechenden dielektrischen Parameter wurden analysiert im Hinblick auf mögliche Oberflächenverluste. Diese wurden als systematische Abweichungen der effektiven Verluste zwischen den beiden Extremfällen resonante und antiresonante Dicke gemessen. Nur in einem Fall wurden kleine zusätzliche Oberflä-chenverluste festgestellt. Die Scheibe wurde vom Hersteller ausgetauscht. Auch die Verteilung der Verluste über einen Scheibendurchmesser von 80 mm, gemessen bei 145 GHz, konnte reproduzierbar nachgewiesen werden.

Neue Studien wurden begonnen um in gelöteten Scheiben eventuelle Beiträge zu Oberflächenverlusten festzustellen. Gegenwärtig werden typische Oberflächenverluste bei eingelö-teten Fenstern auf partielle Wasserstoffeinlagerungen an den Kristallgrenzen und Ähnliches zurückgeführt. Statt agressiver Oxidationsbehandlung mit rauchender Säure zeigte auch die Behandlung mit kalter Säure und Hydroxid, dass die Ober-flächenverluste in gelöteten Scheiben auf einen geringen Wert gebracht werden können.

1 MW, 110 GHz, Torusfenster für JET-EP

Im Zusammenhang mit dem Ausbau von JET ist der Aufbau eines ECRH-Systems, bestehend aus 6 (eventuell 12) 1 MW,

110 GHz, Gyrotrons mit einer Pulslänge von 10 sec vorgesehen. Geeignete Mikrowellenfenster am Torus, welche insbesondere eine sichere Barriere gegen ein Entweichen von Tritium bilden, wurden entworfen. Wegen der hohen Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit wurde ein Doppelscheibenfenster mit CVD-Diamant-Scheiben gewählt (siehe Abbildung).

Entwurf eines Torusfensters für JET-EP für den Fall einer quasi-optischen Übertragung.

In Zusammenarbeit mit dem europäischen Home Team wurde die Super-FZK-Fenstereinheit (Scheibendurchmesser 100 mm, Dicke 1,6 mm, Fensterapertur 80 mm, tanδ= 10-5) in einer HE11-Übertragungsleitung (Durchmesser 63.5 mm) von TORE SUPRA bei CEA Cadarache erfolgreich getestet (118 GHz, 0.3 MW, 111 s).



464174758047703

V48030V48475V48476V48757V48993

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

31.07 Tritiumtechnologie

31.07.02 IHM Tritiumprozesstechnik und –sicherheit

Tritiumentzug aus Wasser

Bei JET, Culham, fällt bei Betrieb, Wartung und Interventionen laufend mit Tritium kontaminiertes Wasser aus den Tritium-Rückhalteeinrichtungen der Abluft (AGHS) mit einer Menge von mindestens 500 l pro Monat an. Die Tritiumkonzentration liegt je nach Betriebsprogramm des AGHS zwischen 8 GBq/l und 800 GBq/l und beträgt im Durchschnitt etwa 60 GBq/l.

Bevor das Wasser entsorgt werden kann, muß das Tritium zurückgewonnen werden. Zu diesem Zweck ist bei JET für das AGHS eine Tritium-Entzugsanlage mit einem jährlichen Durch-satz von 20 t (134 mol/h) geplant. Die Anlage wird mit einem Elektrolysör zur Zerlegung des tritiierten Wassers in Wasser-stoff, einer kryogenen Destillationskolonne zur Tritium-Anreiche-rung und einer katalytischen Isotopenaustauschkolonne (Liquid Phase Catalytic Exchange) mit einem hydrophoben Katalysator, die einen Dekontaminationsfaktor von 10 000 haben soll, arbei-

0.4 Copper (Elektroforming)

214.5

CVD diamond discs 1.717mm Cooling water out

ion getter pump

Cooling water in

arc detector

Helicoflex SealHNV 200-DN 100- Al

0.4

3

Z

98 (8

3)

160

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ten. Die Realisierung dieser Anlage erfolgt in drei Stufen: eine Katalysator-Testanlage zur Auswahl des hydrophoben Kataly-sators, eine halbtechnische Pilotanlage TRENTA mit einem Durchsatz von 0,5 t Wasser pro Jahr und die JET-Anlage mit 20 t/a. Die beiden ersten Stufen werden in Zusammenarbeit mit JET konzipiert und gebaut.

Die Katalysator-Testanlage wurde im Tritiumlabor Karlsruhe aufgebaut, um vier verschiedene hydrophobe Katalysatoren, die in Belgien, Japan, Rumänien und Rußland entwickelt wurden, zu testen und den geeignetsten Katalysator auszuwählen. Das folgende Foto zeigt die Kolonne mit dem rumänischen Kataly-sator:

Katalysator-Testanlage im Tritiumlabor.

Die Testkolonne (90 cm Länge, 4,0 cm Durchmesser) arbeitet nach dem Gegenstromprinzip mit natürlichem Wasser und einem Gasgemisch aus Protium und Deuterium (~1 %). Die molaren Verhältnisse der Durchflußraten von Gas und Wasser betragen 2:1 und 4:1. Das Wasserstoffisotopengemisch an Kopf und Boden der Kolonne wird mit einem Massenspektrometer analysiert, die jeweilige Konzentration der Wasserstoffisotope im Wasser mit einem Infrarot-Spektrometer. Zur Auswertung der Experimente wurde von den rumänischen Kollegen ein Rechenprogramm entwickelt, mit dem die HETP (Height Equivalent to Theoretical Plate) für die verschiedenen, mit Katalysatoren gefüllten Kolonnen bestimmt werden können. Erste Ergebnisse für die Reduzierung des Deuteriums im Gasgemisch sind in der folgenden Tabelle zu finden: Katalysator

Konzentrat. am Eingang HD/HD + H2

Wasser-durchfluss-

rate

Gas-durchflussr

ate

Konzentrat. am Ausgang HD/HD + H2

1.612 % 1.05 l/h 800 l/h 0.48 % ICIT Romania 1.612 % 1.05 l/h 400 l/h 0.25 %

Mend.UniMoscow

1.612 % 0.42 l/h 500 l/h 0.57 %

1.612 % 0.42 l/h 500 l/h 0.14 %

1.612 % 0.42 l/h 1000l/h 0.62 %

SCK⋅CENMol

1044 ppm 0.42 l/h 1000l/h 422 ppm

Wasserstoff-Injektor EPHI

Mit dem Wasserstoff-Injektor EPHI wurden, teilweise zusammen mit einem russischen Gastwissenschaftler vom Forschungs-zentrum TRINITI, Troitsk, weitere Experimente durchgeführt, die auf Vorschlägen zur Erhöhung der Tritiumspeicherkapazität des bestehenden Wasserstoff-Injektors um einen Faktor bis zu 1000 basieren. Hierzu werden anstelle der bisher verwendeten, mit Titan beschichteten Einzelfolien ganze Folienpakete verwendet. Die hierbei zur Freisetzung von Wasserstoff benötigte Energie ist bei einem Paket mit N Folien deutlich geringer als bei N Einzelfolien. Die theoretischen Überlegungen wurden durch Meßergebnisse bestätigt. Ein mit Folienpaketen bestückter EPHI-Injektor kann in der Brennstoffversorgung sowohl kleiner als auch großer Tokamaks verwendet werden. Veröffent-lichungen


V48052 Dr. I. Cristescu (Gastwissenschaftler) Dr. I.-R. Cristescu (Gastwissenschaftlerin) E. Hutter W. Jung (HVT-TL) Dr. Y. Kareev (Gastwissenschaftler) G. Müller (HVT-TL) L. Stefan (Gastwissenschaftler) U. Tamm

31.07.03 IHM Tritium-Abtrennung aus Blanket

Spül- und Kühlgasen

Das vorgeschlagene Verfahren beinhaltet als wesentliche Kom-ponenten eine Kaltfalle, um Wasserdampf auszufrieren und einen Molekularsieb-Adsorber, um Wasserstoffisotope zurück-zuhalten.

Die vorhandene Kaltfalle wurde in einem Versuchsaufbau im Tritiumlabor ohne Tritium untersucht. Ein Feuchte-Generator aus dem Fundus des ehemaligen IRCH ermöglichte die genaue Einstellung der Prozessgas-Feuchte als wesentliche Versuchs-voraussetzung. Umfangreiche Versuche mit den Parametern Prozessgasdurchsatz (100 – 2000 Nl/h), Feuchteanteil im Pro-zessgas (5vpm bis 300vpm), Temperaturniveau und -profil über die Höhe der Kaltfalle und die für die Kondensation verfügbare Fläche ergaben, dass die Konstruktion dieser Kaltfalle – mit flüs-sigem Stickstoff gekühlte Kupferplatten, die in Blocks unterteilt individuell beheizbar sind – bestens für die gestellte Aufgabe geeignet ist. So wurde im Betrieb mit realistischem Wasser-dampf-Gehalt von 10 – 20 vpm eine Restfeuchte von 0,04 vpm (Dampfdruck ca. 95°C) gemessen (Abbildung: Kurve der Aus-trittsfeuchte RM 12, Phase 1). In Phase 2 beteiligen sich die 4 ersten von 22 Kühlplatten durch Erwärmen über den Taupunkt der Eintrittsfeuchte nicht mehr am Niederschlag der Feuchtig-keit. Die verringerte Kühlfläche reicht für die Trocknung von 2 Nm3/h nicht mehr aus, die Austrittsfeuchtigkeit steigt. Bei teil-weiser Temperaturabsenkung dieser ersten Platten in Phase 3 sinkt der RM 12-Wert wieder, erreicht aber seinen vorherigen Wert nicht. Hier liegt die Grenze der Leistungsfähigkeit dieser Baugröße.

Dies bedeutet, daß eine neu zu beschaffende Kaltfalle nach den Konstruktionsmerkmalen dieses Apparates gebaut werden sollte. Die im letzten Jahr entworfene Kaltfalle mit einem Rippenrohr als Ausfrierfläche wird nicht realisiert.

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Die zweite wesentliche Kreislauf-Komponente, der mit flüssigem Stickstoff gekühlte Molekularsieb-Adsorber sollte von einer kryotechnischen Fachfirma gekauft werden. Es stellte sich heraus, dass dies nicht möglich war. Die eigene Auslegung mit Hilfe eines Konstruktionsbüros ist noch nicht abgeschlossen, soll aber im nächsten Jahr zum Bau dieses Apparates führen.

Aufgrund des neuen Datensatzes für ITER-FEAT war auch das Design Description Document (DDD) für das Test Blanket Mo-dule (TBM) des Helium Cooled Pebble Bed (HCPB) Breeder Blanket zu überarbeiten. Für die neu eingeführte NT-TBM Phase (Test of Neutronic and Tritium Production) war ein Ver-fahren zum Sammeln und zum Nachweis des erbrüteten Triti-ums vorzuschlagen, das Tritium Measurement System (TMS): Das erbrütete Tritium liegt als Wasser (HTO) oder als molekula-rer Wasserstoff (HT) vor. Das Wasser wird an einem bei 400°C betriebenen Zink-Bett reduziert und der gesamte Wasserstoff auf einem Uran- oder ZrCo-Speicherbett gesammelt. Die Tritium-Aktivität wird anschließend kalorimetrisch nachge-wiesen. Die folgende Abbildung zeigt das Schema des Verfahrens.

Forschungszentrum KarlsruheBekris,Hutter: 28/06/00

VacuumTMTM

MM

Znbed

C

He H2

ZrCo or Ubed

CompressorCooling coilTritium monitorTemperature SensorHygrometer

C:CC:TMTS:M:

TS

CC

TS TS

Calorimeter

TM

NT-TBMTMS

HCPB-Tritium-Messsystem für die D-Plasma-Phase und dieLow-Duty-DT-Plasma-Phase von ITER-FEAT.



48666 Dr. H. Albrecht (HVT-TL) Dr. N. Bekris (HVT-TL) E. Hutter J. Rodolausse (Studentin) U. Tamm

31.20 Sonderprojekt Mikrowellenheizung (PMW) für

Wendelstein 7-X

Das Vorhaben umfasst die Entwicklung, den Aufbau und die Inbetriebnahme des kompletten 10 MW-140 GHz-Elektron-Zyklotron-Heizungs-Systems (ECRH) für nahezu stationären Betrieb (30 min) am zukünftigen Stellarator W7-X in Greifswald in Zusammenarbeit mit dem IPP Garching und dem Institut für Plasmaforschung (IPF) 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 Gy-rotrons mit einer Leistung von jeweils 1 MW erzeugt und über zwei Vielstrahl-Wellenleiter von etwa 55 m Länge von den Gyrotrons zum Plasmatorus übertragen werden.

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 Energierückgewinnung (SDC) zur Erhöhung des Wirkungs-grades wurde zusammen mit CRPP Lausanne und TTE Paris ausgelegt und gebaut. Es arbeitet in der TE28,8-Mode und erzeugt einen linearpolarisierten TEM0,0-Gaußschen Hoch-frequenzstrahl. Das Gyrotron besteht aus einer MIG-Elektronen-kanone, einem verbesserten Strahltunnel, einem modenreinen Resonator mit geringen Ohm'schen Oberflächen-Verlusten (<2 kW / cm2), einem optimierten nicht linearen Wellenleiter-übergang, einem verbesserten Modenwandler (Launcher) und einem horizontalen HF-Strahlausgang. Der SDC befindet sich auf Erdpotential und ist mit normalleitenden Magneten zum Wobbeln des Elektronenstrahles über die Kollektoroberfläche ausgestattet, was zu einer Reduzierung der Verlustleistungs-dichten führt.

Das zugehörige supraleitende Magnetsystem wurde im Novem-ber 1999 von Oxford Instruments nach Karlsruhe mit 6 monati-ger Verspätung geliefert. Wegen eines Transportschadens musste das ganze System nach England zurückgeschickt werden. Nach erfolgter Reparatur wurde es im Juni 2000 wieder nach Karlsruhe gebracht und erfolgreich getestet.

Das Gyrotron wurde im Karlsruher Teststand installiert (s. Abb.) und in Betrieb genommen.

Erste Leistungsmessungen mit Pulslängen von 1 ms ergaben 0,65 MW bei 82 kV und 40 A in der TE28,8-Mode bei 140,3 GHz. Die gemessene Frequenz ist in sehr guter Übereinstimmung mit dem Designwert 140,2 GHz. Trotz sorgfältiger Optimierung war es nicht möglich, Ausgangsleistung und Wirkungsgrad zu erhö-hen. Messungen der Hochfrequenzfeldverteilung mit einer Infrarot-Kamera ergaben eine starke Versetzung des Hochfre-quenzstrahles nach unten um 30 mm in der Fensterebene.

-100

-90

-80

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-60

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0

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20

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40

50

0 20 40 60 80 100 120

RM_11RM_12RM_21

RF_1

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[°C

dew

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l/min

]

Time [h]

1

2

3

Gemessene Eintritts- und Austrittsfeuchte bei einem Durchsatz von 2 m³/h Helium mit 15 vpm Wasserdampf.

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Diese Abweichung führt zu Leistungsreflexionen zurück ins Gyrotron von mehr als 20%. In früheren Experimenten wurde gezeigt, dass solche Reflexionen die Ausgangsleistung be-trächtlich beeinflussen können.

Dieselbe Abweichung wurde auch in Niederleistungsmessungen mit einem identischen quasi-optischen Modenwandlersystem gefunden. Die Verschiebung des Hochfrequenzstrahles wird durch einen Designfehler beim Bau des quasi-optischen Modenkonverters verursacht.

Die Hochfrequenzmessungen wurden mit Pulslängen bis 150 ms bei einer Ausgangsleistung von 600 kW durchgeführt. Die Pulslänge wurde begrenzt, um das Diamentfenster durch die unsymmetrische Heizung der Fensterränder nicht zu gefährden. Der Betrieb mit Energierückgewinnung (Depressed Collector) wurde erfolgreich durchgeführt und ergab eine Wirkungsgraderhöhung um den Faktor 1.7. Bis zu einer Gegenspannung von 33 kV wurde keine Leistungsabsenkung gemessen, der Bodystrom blieb mit 10 mA tolerabel. Die Leis-tung bei diesen Pulslängen wurde über die Temperaturerhöhung des Diamantfensters gemessen. Innerhalb der Messgenauigkeit zeigten sich keine Änderungen der Ausgangsleistungen bei langen Pulsen.

Um die Funktionsweise des Strahlablenkungssystems am Kol-lektor auszuprobieren, wurde Langpulsbetrieb (bis zu 30 s) bei 1 MW Strahlleistung (50 kV, 20 A) ohne HF-Erzeugung durchge-führt. Diese Strahlleistung entspricht dem Normalbetrieb der Röhre. Die maximale Kollektortemperatur wurde mit 160°C gemessen, die mit einer Zeitkonstanten von 2,2 s erreicht wurde.

Feldverteilung des Hochfrequenzstrahles in der Fenster-ebene. Der Kreis gibt die Apertur des Fensters wieder.

Das Prototyp-Gyrotron wurde zu TTE Paris zurückgebracht. Dort wurde die Röhre geöffnet, der quasi-optische Modenkon-verter korrigiert und das Gyrotron wieder verschweißt. Anfang 2001 sollen die Messungen in Karlsruhe fortgesetzt werden.


Beteiligte Mitarbeiter des IHM

4626346416465134766347701480544805848752

V48753

DI A. Arnold 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. 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 soll quasi-optisch über ein modulares Spiegelsystem durchgeführt werden. 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 Übertragung 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

Foto des 140 GHz Prototyp-Gyrotrons im Teststand.

12

Einzelstrahlen aufgeteilt und über Vakuumfenster und individuell steuerbare Antennen im Vakuumgefäß ins Plasma fokussiert.

Da der Vielstrahl-Wellenleiter (MBWG) die Übertragungseigen-schaften des gesamten Übertragungssystems dominiert, wurden die entsprechenden Spiegel und deren Justierung sorgfältig optimiert.

Rechnungen ergaben sehr geringe Modenumwandlung, was zu hohen Übertragungswirkungsgraden führt. Thermo-mechani-sche Rechnungen für die Auslegung der wassergekühlten Spie-gel wurden durchgeführt für verschiedene Materialkombina-tionen und für eine Auswahl von verschiedenen Rahmen-strukturen auf der Rückseite der Spiegel. Eine Kupfer-Stahl Kombination ergab die geringsten Verformungen.

Um die Übertragungseigenschaften eines solchen Systems zu überprüfen, wurde eine Teststrecke aufgebaut und mit Diagnos-tik-Geräten versehen. Das beinhaltet ein Meßsystem für die Ohm'schen Spiegelverluste und ein Reflektometer, um mögliche Verformungen der Spiegeloberfläche durch thermische Belas-tungen nachzuweisen. Eine Spiegelhalterung für die MBWG-Spiegel wurde mit Sensoren ausgestattet, um die Stabilität, Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit gegen externe mecha-nische und thermische Belastungen zu testen. Die Entwicklung eines Justierungs- und Kontrollsystems für die Spiegel wurde fortgesetzt. Eine prototypische Übertragungsleitung wurde am IPF Stuttgart installiert. Die Experimente ergaben Wirkungs-grade in der Übertragung des Gauß'schen Strahles von (90±2) % in guter Übereinstimmung mit der Theorie. Die gemessene Ausgangsverteilung der verschiedenen Strahlen wird im nächsten Bild gezeigt.

Gemessene Verteilung der Hochfrequenzstrahlen am Aus-gang des Vielstrahl-Wellenleiters (MBWG).

Der größte Teil der Spiegel für die einzelnen 1 MW Strahlen (Polarisatoren, Umlenkspiegel etc.) wurde spezifiziert und in Auftrag gegeben sowie teilweise bereits gefertigt. Die Spiegelhalterungen der MBWG sind fertiggestellt.



46415 46520 47189

V48725

Dr. G. Dammertz Prof. Dr. M. Thumm Dr. G. Gantenbein (IPF Stuttgart) F. Hollmann (IPF Stuttgart) Dr. W. Kasparek (IPF Stuttgart) W. Xu (IPF Stuttgart) D. Arz (IPP Garching) DI M. Weißgerber (IPP Garching) Dr. V. Erckmann (PMW)

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

Die Entwicklung zur Optimierung der Oberflächenstrukturen der Reflektoren auf der Torusinnenseite des W7-X Vakuumgefäßes wurde begonnen. Sie sollen den nicht absorbierten Teil des Hochfrequenzstrahles in kontrollierter Weise ins Plasma zurück-strahlen. Das ist für die Heizung von Hochdichte-Plasmen bei der zweiten Harmonischen O-Mode notwendig, für die die Absorption gering ist.

Eine Zusammenarbeit mit dem Institut für Plasmaphysik der Universität Mailand wurde begonnen. Es sollen die Auswir-kungen der nicht absorbierten Streustrahlung in einem Torusgefäß sowohl theoretisch als auch experimentell unter-sucht werden.



Prof. Dr. M. Thumm Dr. H. Laqua (IPP Greifswald) Dr. G. Michel (IPP Greifswald) Dr. V. Erckmann (PMW)

31.20.50 IHM Kühlsystem für ECRH an W7-X

Die Wasserkühlung des Gyrotronteststandes wurde mit dem Prototyp-Gyrotron in Betrieb genommen und erreichte die De-signwerte für Druck und Durchflussraten. Es ergaben sich starke Vibrationen im Kollektorkühlkreislauf. Durch geeignete Wahl verschiedener Drucke ließen sich ohne Vibrationen bzw. Lärm-belästigung bis zu 90% der spezifizierten, maximalen Durch-flussraten verifizieren. Dies ist für den Betrieb ausreichend, trotzdem sollen die Gründe für die Vibrationen untersucht und ausgeschaltet werden. Die Durchflussmengen im Kühlkreislauf für den Resonator/Launcher sind stark reduziert. Der Grund liegt vermutlich in der komplizierten Geometrie der Kühlkanäle im Launcher. An einer Verbesserung der Geometrie wird bei TTE Paris gearbeitet. Die Spezifikationen für die Kühlung der TTE-Gyrotrons wurde ausgearbeitet und die entsprechenden Kühl-module bestellt. Die Spezifikation für das Kühlmodul der Über-tragungsspiegel wurde erstellt, die Kühlmodule wurden in Auf-trag gegeben. Veröffent-lichungen


48116 Dr. G.Dammertz P. Grundel DI.G. Neffe Prof. Dr. M. Thumm Dr. V. Erckmann (PMW)

31.20.60 IHM Energieversorgung für ECRH an

W7-X

Der Betrieb eines Gyrotrons mit einem Kollektor zur Energierückgewinnung (SDC) auf Erdpotential erfordert insbesondere eine hochgenaue Beschleunigungsspannung, die zwischen dem Röhrenresonator (Body) und der Elektronen-kanone (Kathode) angelegt werden muss. Ein Teil der nicht in Mikrowellenleistung umgewandelten Elektronenrestenergie wird durch Anlegen eines elektrischen Gegenfeldes zwischen Reso-nator und Kollektor zurückgewonnen. Hierfür wird zusatzätzlich zur Hauptstromversorgung (-55kV/45 A) für die Kathode eine weitere Spannungsquelle (+35 kV/0,2 A) benötigt, die zwischen Body und Kollektor der Röhre angeschlossen wird. Die Be-schleunigungsspannung (Summenspannung ≤ 90 kV) wird dabei gemessen und über eine externe Regelung stabilisiert. Die Spezifikation der Hochspannungsgeräte wurde erstellt. Die

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Hochspannungsversorgung für den Gyrotronteststand wurde vom IPF Stuttgart umgebaut und beim Test des Prototyp-Gyrotrons erfolgreich in Betrieb genommen. Die Entwicklung der Hochspannungsversorgung für den Betrieb der Serien-Gyrotrons im IPP Greifswald wird am IPF weitergeführt. Die in den Arbeiten des Prototypsystems gewonnenen Erfahrungen werden in ein W7-X relevantes Design für ein ECRH-Netzgerätekonzept eingearbeitet. Die Spezifikationen für die HV-Einrichtungen am IPP Greifswald (Gitterkäfige für HV-Installation und Gyrotrons) wurden erstellt und die Übertragungsleitungen der Hochspannung wurden definiert. Ein Auftrag zur Installation des Systems in Greifswald wurde an die Industrie vergeben. Veröffent-lichungen


Dr. G.Dammertz DI W. Leonhardt DI M. Schmid Prof. Dr. M. Thumm Dr. G. Müller (IPF Stuttgart) W. Xu (IPF Stuttgart) Dr. V. Erckmann (PMW)

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 erstellt und erfolgreich in Betrieb genommen. Die hochfrequenzdichte Mikrowellen-Messkabine wurde während der Gyrotron-Testphase in Betrieb genommen. Bei einer HF-Leistung von 600 kW wurden außerhalb der Box HF-Pegel im mW-Bereich gemessen, was einer Abschirmung besser als 80 dB entspricht und auch bei höheren Leistungen einen ausreichenden Personenschutz gewährleistet. Die Meß-kabine wurde mit zwei vom IPF Stuttgart gelieferten Spiegeln, einer 1 MW Wasserlast und einer Feldverteilungsmessein-richtung versehen, die ebenfalls in Betrieb genommen wurde. Weitere wassergekühlte Streustrahlungsabschirmelemente wurden eingesetzt, um Probleme bei Langpulsexperimenten zu minimieren.

Die Entwicklung und die Fertigstellung des schnellen (µs) Gyrotronüberwachungssystems (Pulslänge, evtl. Leistung, Arcing, Vakuum etc.), die erfolgreiche Inbetriebnahme der Kühlmodule für das Gyrotron, für die Hochspannung und für das 1 MW Kalorimeter, sowie deren Implementierung in das Prozessleitsystem wurden erfolgreich durchgeführt.

Die Spezifikationen des MSR-Systems zur Kühlung der Spiegel der Übertragungsleitung wurden erstellt. Die Schnittstellenprob-leme zur Fernbedienung der Netzgeräte für die supraleitenden Gyortron-Magnete wurden behoben.



Dr. G.Dammertz H. Kunkel DI W. Leonhardt D. Mellein DI M. Schmid Prof. Dr. M. Thumm Dr. V. Erckmann (PMW)

32 Projekt Nukleare Sicherheitsforschung (PSF)

32.22 Innovative Systeme

32.22.08 IHM Oberflächenvergütung mit gepulsten Elektronen- und Ionenstrahlen

Die Arbeiten zur Oberflächenvergütung von Turbinenschaufeln im Rahmen des Vertrages mit einem Industriepartner wurden fortgesetzt. Ziel der Arbeiten ist es, die Oberflächen der Schau-feln durch Behandlung mit der GESA so zu konditionieren, dass eine lange Haftung von aufgebrachten Wärmedämmschichten (WDS) in der Gasturbine gewährleistet ist. Der Einsatz keramischer Wärmedämmschichten (WDS) auf Gasturbinenschaufeln hat die Steigerung des Wirkungsgrads von stationären Gasturbinen zum Ziel. Dies erfordert eine Optimierung des MCrAlY Coatings, das sowohl den Turbinenschaufelgrundwerkstoff vor Oxidation schützen als auch eine gute Anbindung der WDS gewährleisten soll. Im Gegensatz zu den bisherigen Entwicklungen, die hauptsächlich eine Optimierung der Zusammensetzung des MCrAlYs zum Ergebnis hatten, kann mit dem gepulsten Elektronenstrahl der GESA die Mikrostruktur stark verfeinert werden, so dass eine nanoskalige, deutlich homogenere Oberfläche entsteht, auf der sich im Betrieb eine dünne, homogene Oxidschicht bildet. Auf diese Schicht wird die WDS in kolumnarer Struktur aufgebracht. Die Arbeiten und Ergebnisse im Berichtszeitraum lassen sich wie folgt beschreiben: • Fortführung der stationären und zyklischen Oxidationstests bei

FZK bzw. KFA-Jülich. Auf Basis der bisherigen Ergebnisse wurde ein umfangreiches Versuchsprogramm mit dem Industriepartner begonnen, um eine aussagekräftige Statistik bezüglich potentieller Standzeitverlängerung zu erreichen. Inzwischen liegen die Ergebnisse der stationären Auslagerung bei 950°C über 10.000 h vor, die zeigen, dass die WDS auch nach dieser Zeit noch einwandfrei auf dem Schaufelmaterial haftet ( untere Abb.).

100 µm

WDS

TGO

MCrAlY

Inconel

Querschnitt durch eine Schutzschichtanordnung auf dem Grundwerkstoff (Inconel) einer Turbinenschaufel nach 10000 h Auslagerung bei 950 °C an Luft. Oben die Wärmedämmschicht (WDS), darunter die MCrAlY-Schutzschicht, dazwischen das thermisch gewachsene Oxid (TGO, Al2O3).

• Untersuchungen zur Interdiffusion von Aluminium zwischen

Grundwerkstoff und MCrAlY wurden begonnen und ein Leistungskatalog für die betrachteten Schutzschichten angelegt. Bleibt die Interdiffusion gering, kann der positive Effekt der Umschmelzung genutzt werden, um die Turbinenschaufel bei höheren Temperaturen zu betreiben, was den Wirkungsgrad erhöht.

• In Abstimmung mit dem Industriepartner wurden neue

Schutzschichten entwickelt und mit in das Programm auf-genommen. Dabei war das Verhalten bei der GESA-

14

Behandlung (Rissbildung) ein wesentlicher Gesichtspunkt. Zwei der drei neuen Schichten konnten ohne spezielle Vorkehrungen (Vorheizen, Mehrfachpulse) umgeschmolzen werden.

• Untersuchungen, die für „Regenbogentests“ erforderlich sind

wurden begonnen. Es konnte gezeigt werden, dass die Austrittsöffnungen für die Oberflächenkühlung (shower heads) auf einer Turbinenschaufel nicht deformiert werden.

Im Berichtszeitraum wurden außerdem eine Reihe von experimentellen- und theoretischen Grundlagenuntersuchungen zur Strahlerzeugung und zur Verbesserung der Strahl-homogenität durchgeführt. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• In experimentellen Untersuchungen zum Zündverhalten der einzelnen Kohlefaserbündel an der Elektronenquelle der GESA-Anlagen hat sich gezeigt, dass bei einer makroskopischen Feldstärke von 10 kV/cm ein zeitlicher Verzug von bis zu 15 µs zwischen einzelnen Faserbündeln zu beobachten ist. Aus den Experimenten folgt, dass die Feldstärke im Kathoden-Gitter-Spalt auf mindestens 17 kV/cm erhöht werden muss, um den Zündverzug auf vertretbare Werte von 2 µs zu reduzieren.

• Aus numerischen Simulationen konnte die Ursache für die

experimentell beobachtete örtliche Strahlinhomogenität am Target erklärt werden. Die Erhöhung der Stromdichte im Strahlzentrum wird durch Targetionen verursacht, die fokussiert in den Beschleunigungsspalt eindringen und lokal im Zentrum der Kathode (Abb.), aufgrund ihrer Raumladung, die Feldstärke erhöhen und zu einer Verstärkung der lokalen Elektronenemission führen.

Simulation der Targetionentrajektorien in der GESA I Anlage.

• Die Simulationen zeigen ferner, dass durch Anlegen eines

Gegenpotentials von mindestens 20 kV im Targetraum oder im Transportkanal der Ionenfluß in Richtung Kathode weitgehend gestoppt werden kann (Abb.). Experimentelle Untersuchungen hierzu haben begonnen.

Berechnete Targetionentrajektorien nach Anlegen eines Potentials von –20 kV an das Target in der GESA I Anlage.



420684207843463434674425447222

V47993V47994

4819448473

V48590

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

32.23 Studien zur Aktinidenumwandlung

32.23.05 IHM Untersuchungen zu beschleunigergetriebenen, unterkritischen Anordnungen

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 des verwendeten Stahls. Oxidschichten auf dem Stahl können den Lösungsangriff des Flüssigmetalls unterbinden. Damit solche Oxidschichten über lange Zeit stabil bleiben ist eine Kontrolle des Sauerstoff-potentials im Flüssigmetall erforderlich. Die Konzentration des Sauerstoffs muss so hoch sein, dass sich ein Sauerstoffpotential einstellt, bei dem der Stahl oxidiert aber noch keine Flüssigme-talloxide ausgeschieden werden.

Nach den Untersuchungen der Korrosion in stagnierendem Blei bei 550°C in der Laboranlage COSTA wurden im Berichtszeit-raum Experimente in einem Kreislauf (Blei-Loop) am IPPE Obninsk durchgeführt. Die Stähle 1.4970, 1.4948, Optifer IVc und EM 10 wurden 3000 h bei 550°C in fließendem Blei ausge-lagert. Die Sauerstoffkonzentration in Pb betrug 10-4 at%, die Fließgeschwindigkeit 2 m/sec.

Auf Optifer IVc bildeten sich im Loop genau wie nach den Tests in stagnierendem Pb gleichmäßige, schützende Oxidschichten von etwa 40-50 µm Dicke (s. Abb.) bestehend aus einer Magnetit-Deckschicht, einer inneren Spinellschicht und einer Diffusionszone. Der Stahl EM 10, der nur im Loop getestet wurde, zeigt das gleiche Verhalten.

Vergleich der Oxidschutzschichtbildung in stagnierendem und fließendem Pb bei 550°C (Beide Proben waren nicht GESA-behandelt).

Beim austenitischen 1.4970 bildete sich wie im stagnierenden Pb nur auf den mit GESA behandelten Oberflächen eine

target

Kathode

Kathode

target

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0

10

20

30

40

50

fliessendes Pb

1.4970

fliessendes Pb

stagnierndes Pb

OPTIFER IVc

Dic

ke [µ

m]

Zeit [h]

15

Oxidschicht, die mit der auf Optifer IVc vergleichbar ist. Die unbehandelte Oberfläche war mit einer sehr dünnen Oxidschicht bedeckt und über weite Bereiche vor Flüssigmetallkorrosion geschützt. Jedoch traten in unregelmäßigen Abständen Einbrüche mit innerer Oxidation auf, die in stagnierendem Pb nicht gefunden wurden. Ob letztlich der Austenit gegenüber den Stählen, die dickere Oxidschichten bilden, besser abschneidet, kann erst nach längeren Versuchszeiten entschieden werden.

Auslagerungsversuche in flüssigem Pb-Bi in den Kreisläufen des IPPE und bei Prometey, St. Petersburg, bei Temperaturen von 400, 550, und 600°C wurden begonnen. Diese sind bis zu einer Dauer von 6000 h vorgesehen. Dort werden neben Stählen im Originalzustand auch solche mit Al-legierter Oberfläche eingesetzt. Weitere Proben sind mit kobaltfreien MCrAlY Coatings versehen. Es bleibt abzuwarten, ob diese Schichten wie im Fall der Turbinenschaufeln auch in Pb stabile Schutzschichten bilden, die für hochbelastete Strukturen geeignet sind. Wegen der typischen groben Struktur, die beim Plasmaspritzen entsteht, mussten diese Coatings mit der GESA behandelt werden, um eine glatte porenfreie Schicht mit guter Haftung zu erhalten.

Die Auswertung erster Auslagerungen in stagnierendem Pb-Bi bei 550°C ergaben, trotz Bildung von Oxidschichten auf den Stählen, einen Lösungsangriff an einzelnen Stellen, an denen die Oxidschicht unterbrochen war. Das könnte daran liegen, dass das Sauerstoffpotential im Fall von Pb-Bi zu niedrig war. Bei Pb war es zur Oxidbildung ausreichend. Die Pb-Bi Schmelze könnte aber auch generell aggressiver sein als flüssiges Pb. Diese Frage muss durch weitere Untersuchungen geklärt werden.



46939 V47090

47956 V47992

48205 V48760 V48771

Dr. H. Bluhm DG A. Heinzel R. Huber Dr. G. Müller DI (FH) F. Zimmermann

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

Ziel dieses HGF-Strategiefondprojektes ist es, neue Methoden und Technologien zur Auslegung und Herstellung von Materi-alien mit hochbelastbaren Oberflächen (z. B. Strahlfenster) zu entwickeln. Diese Oberflächen sollen mit einem korrosiven schweren Flüssigmetall (eutektisches Blei-Wismut) gekühlt werden. Das Strahlfenster ist eine der entscheidenden Kompo-nenten eines Spallationstargets für eine beschleunigergetrie-bene Anordnung (ADS). Die Aufgabe dieses Projektes ist die Entwicklung der wissenschaftlich-technischen Voraussetzungen zur Konzeption und detaillierten Auslegung eines Spallationstar-gets für die Entwicklung einer europäischen ADS- Demonstrati-onsanlage.

Im Berichtszeitraum wurde die am IHM entwickelte Kontrolle der Sauerstoffaktivität in flüssigem Pb-Bi in Zusammenarbeit mit dem Institut für Kern- und Energietechnik (IKET) und dem Insti-tut für Materialforschung (IMF III) in den Technologie-Kreislauf (THESYS) des KALLA-Labors eingesetzt. Die folgende Abbil-dung zeigt die Sauerstoffkontrolleinheit am THESYS-Kreislauf.

Die Kontrolle der Sauerstoffaktivität im Pb-Bi erfolgt hier durch den Austausch mit einer Gasphase definierten Sauerstoffparti-aldrucks über der freien Oberfläche des Flüssigmetalls.

Erste Ergebnisse zur Sauerstoffkontrolle von Kreisläufen über die Gasphase sind vielversprechend. Die Sauerstoffaktivität im Kreislauf konnte innerhalb des vorgesehenen Aktivitätsbereichs durch Reduktion bzw. Oxidation verändert werden. Der Nachweis erfolgte mit Sonden, die am IMF III entwickelt wurden. Im nächsten Jahr werden Parameterstudien zur Einstellung und Langzeitkontrolle definierter Sauerstoffaktivitäten bzw. –konzen-trationen durchgeführt.

Ausgleichsbehälter am THESYS-Loop im KALLA-Labor zur Einstellung der Sauerstoffaktivität in flüssigem Pb-Bi.



4820748483

V48773V48774

48932

DG A. Heinzel R. Huber DR. G. Müller Dr. G. Schumacher (Gastwissenschaftler) DI (FH) F. Zimmermann

43 Nanotechnologie und Werkstoffe für

feinskalige Systeme (NWS) 43.01 Nanotechnologie

43.01.04 IHM Elektrodynamische Erzeugung von nanokristallinen Werkstoffen und millimeterwellenunterstützte Sintertechnik

Erzeugung von Pulvern durch Drahtexplosion in DEMON

Größere Mengen Aluminiumoxid mit einem mittleren Partikel-durchmesser von ca. 30 nm wurden für Versuche zum Explo-sionsverdichten und zur Filterkerzenbeschichtung produziert. Zur Steigerung der Produktivität musste die Ausbeute dieser Pulverfraktion wesentlich erhöht werden. Zunächst wurde Al2O3 bei Energiezufuhr bis zum Doppelten der Sublimationsenergie von Al-Metall hergestellt. Die Ausbeute wurde erwartungsgemäß beträchtlich gesteigert, jedoch vergrößerte sich der mittlere Partikeldurchmesser auf ca. 50 nm. Erfolgreicher war eine Steigerung des Gasdurchsatzes um den Faktor 3. Dadurch wurde vermutlich die Agglomeration vermindert und deshalb konnte die Ausbeute von Nanopulver mit der geforderten mittle-ren Partikelgröße nahezu verdoppelt werden.

Zur weiteren Steigerung der Ausbeute wurden Experimente zur Wiederaufarbeitung von Al2O3 aus dem ersten Zyklon durch-

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geführt, das durch große oxidische und metallische Partikel verunreinigt ist. Die Ausbeute an Nanopulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von ca. 30 nm lag bei dieser zweiten Frak-tionierung mindestens bei 5%.

Die Versuchsanlage zur Drahtexplosion wurde mit einem sepa-raten Pulsgenerator ausgerüstet. Kenndaten der neuen leis-tungsstärkeren Anlage sind 15 µF Kapazität der Kondensator-batterie und ca. 30 kV Ladespannung. Damit ergibt sich eine maximale elektrische Energie pro Entladung von 7 kJ, die zum Verdampfen größerer Metallmassen verwendet werden kann. Die optimale Umwandlung von elektrischer in thermische Ener-gie des Drahtes wurde in einer Versuchsreihe untersucht. Zur exakten Leistungsmessung während einer Entladung wurden Vorrichtungen zur Messung des Stroms durch den Draht und der Spannung zwischen den Drahtenden installiert. Es zeigte sich, dass nur bei optimaler Anpassung der Versuchsparameter ein großer Prozentsatz der elektrischen Energie im Draht deponiert wird (Abb.).

0 1 2 3 4 5 60

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

A l- D r a h t : 0 .7 m m D u r c h m e s s e r , 2 2 0 m m la n gT e ilb a n k : 2 .5 7 µ F , g e la d e n a u f 2 6 k V

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Z a h l d e r p a r a l le lg e s c h a lte te n T e i lb ä n k e

Prozentualer Energieeintrag in explodierenden Al-Draht

Für einen Anwender wurde Silberpulver mit mittleren Partikel-durchmessern im Bereich von 100 nm hergestellt. Von dem Pulver wurden Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop gemacht, seine Zusammensetzung wurde mit EDX untersucht.

Kompaktieren von Pulvern durch Magnetkompression

Die Qualität von nanostrukturierten Grünkörpern mit 30 mm Durchmesser und 3 bis 4 mm Dicke, die durch Magnetkompres-sion in der Anlage KOMPULS hergestellt werden, ist noch nicht befriedigend. Einige Presslinge zerbrechen bei der Druckent-lastung oder können nicht rissfrei gesintert werden. Die Ab-hängigkeit der Bruchanfälligkeit von der Beschaffenheit des Ausgangspulvers und den Experimentierbedingungen (Grad der Ausgasung, Temperatur beim Pressen, Konditionierung der Pulver etc.) ist Ziel weitergehender Untersuchungen.

Von einer kooperierenden Gruppe der TU Delft wurden Elektro-lyt und Elektroden wiederaufladbarer Lithiumionen-Batterien durch Magnetpulse verdichtet.

Arbeiten auf dem Gebiet der Millimeterwellen-Sintertechnik

Ein modular aufgebauter Hybridofen mit einem Nutzvolumen von ca. einem Liter ermöglicht eine Kombination von Strah-lungs- und Millimeterwellenheizung beim Sintern von Keramik-proben.

Im Rahmen eines Growth-Projektes wurde versucht, durch Variation der Sinterparameter transparente Sinterkörper aus nanoskaligem reinem bzw. MgO-dotiertem α-Al2O3 zu erzeugen. Notwendige Bedingungen für die Transparenz sind Dichten von 99.95 % der theoretischen Dichte und Korngrößen < 500 nm.

Mit den bisher zur Verfügung gestellten Grünkörpern konnten jedoch nur Dichten um 99.8 % erreicht werden.

Zur Messung der mechanischen Eigenschaften von Nano-keramik wurde dynamisch kompaktiertes nanoskaliges γ-Al2O3 aus der Drahtexplosionsanlage DEMON gesintert und zu geeigneten Proben zersägt. Die Eigenschaften dieser Proben konnten wegen zu geringer Oberflächengüte bisher nicht zuverlässig ermittelt werden.

Sinterexperimente mit nanoskaligem YSZ und Mg- bzw. Ti-dotiertem Al2O3 im Millimeterwellenfeld zeigen, dass im Ver-gleich zu Experimenten in konventionellen Öfen das Schrump-fen bei deutlich niedrigeren Temperaturen einsetzt. Die mit der Millimeterwellentechnik mögliche Reduktion der Prozesszeiten führt zu einer deutlich feinskaligeren Mikrostruktur, wie elektro-nenmikroskopische Aufnahmen von YSZ zeigen (siehe Abb.). Studien mit feinskaligen PZT-Pulvern demonstrierten die Vorteile des Sinterns mit Millimeterwellen hinsichtlich PbO-Verlusten und Funktionalität von piezoelektrischen Bauteilen, wie z.B. Aktuatoren. Begleitende theoretische Untersuchungen in Zusammenarbeit mit dem Institut für Angewandte Physik in Nizhny Novgorod, Russland, deuten auf eine Erhöhung der Diffusion durch nicht-thermische Effekte der Millimeterwelle hin.

1200 °C, 0 min ρ=99.0 %TD

1300 °C, 180 min ρ=98,5 %TD

Mit Millimeterwellen und konventionell gesintertes YSZ.

Das millimeterwellentaugliche Dilatometer wurde ebenfalls für Studien zum Sinterverhalten eingesetzt. Die Software zur Steuerung der Technologieanlage wurde derart modifiziert, dass in Verbindung mit dem Dilatometer ein ratenkontrolliertes Sin-tern möglich wird. Ratenkontrolliertes Sintern sollte, bei geeig-neter Wahl der Prozessparameter, eine weitere Verringerung des Kornwachstums ermöglichen.



46339471904748847542

V4756447702477054805348056480594824948250

V48664V48672V48754V48758V48759V48990V48991V48992

H. Baumgärtner Dr. K. Baumung Dr. H. Bluhm Dr. R. Böhme Dr. L. Feher A. Flach Dr. P. Hoppé Dr. G. Link DM S. Rhee F. Rehlinghaus (bis 30.9.2000) B. Schmitt (IKET) Prof. Dr. M. Thumm R. Vincon Dr. A. Weisenburger

17

51 Naturwissenschaftliche Grundlagenforschung (GRUND)

51.03 Physik intensiver Ionenstrahlen und gepulster dichter Plasmen

51.03.01 IHM Erzeugung intensiver Strahlungsquellen und gepulster dichter Plasmen

Inbetriebnahme der Anlage KALIF-HELIA

Bis zu den Mitte des Jahres im Aufsichtsrat gefassten Beschlüssen zur Beendigung der Arbeiten wurden die Einfahrversuche an dem 1999 erstmals in Betrieb genommenen 2,5 Terawatt, 6 Megavolt Hochleistungsgenerator KALIF-HELIA fortgesetzt, um die Leistung, Form und Energie des mit einer Elektronendiode erzeugten Pulses zu optimieren. Im einzelnen wurden:

- die Schaltzeitpunkte der 4 lasergetriggerten Gasschalter und der Wasserschalter der 12 pulsformenden Leitungen optimiert. Es konnte eine Synchronisierung der 12 Teilpulse von besser +/-10 ns erreicht werden.

- der Energiefluss vom Marxgenerator bis zur Elektronendiode untersucht. Hierzu wurden alle gemessenen Signale (ca. 80) mit den entsprechenden gerechneten Größen eines umfangreichen Simulationsmodells abgeglichen. Demnach stehen von der bei der Nennladespannung von 95kV im Marxgenerator gespeicherten Energie von 357kJ an den 4 Zwischenspeichern noch 230kJ zur Verfügung. Nach den Gas- und Wasser-schaltern reduziert sich die verfügbare Energie am Eingang der 6 Induktionszellen auf ca. 120kJ. Abhängig von den Lastparametern liefern die Zellen über die magnetisch isolierte koaxiale Vakuumleitung bis zu max. 80kJ an eine Elektronendiode. Mit einem Kalorimeter wurde bisher eine maximale Strahlenergie von 70kJ nachgewiesen. Dabei konnte eine maximale Spannungsamplitude des Ausgangspulses von 5MV erreicht werden.

- Messungen zur Untersuchung der selbstmagnetischen Isolation in der koaxialen Vakuumübertragungsleitung in negativer Polarität durchgeführt. Die Auswertung steht noch aus. Entsprechende Messungen in positiver Polarität sowie Voruntersuchungen zur Entwicklung einer 2-stufigen Ionendiode konnten nicht mehr durchgeführt werden.

Strahlerzeugung und Diagnostik

Für die orts- und zeitaufgelöste Messung elektrischer Felder im Beschleunigungsspalt der fremdmagnetisch isolierten Hoch-leistungsionendiode von KALIF wurde die im letzten Berichts-zeitraum begonnene Entwicklung einer Atomstrahldiagnostik fortgeführt. Diese basiert auf der Injektion eines kollimierten bleistiftartigen Li-Atomstrahl in die Diode, der mit Hilfe einer pulsartigen Laser-Verdampfung aus einem LiF-Targets erzeugt wird. Um die erforderliche Meßempfindlichkeit von einigen hundert kV/cm zu erreichen, werden die in die Diode injezierten Li-Atome in einem zweistufigen Prozess mit zwei breitbandigen Farbstofflasern aus dem Grundzustand in das 3d-Niveau gepumpt. Die emittierte 3d-2p Resonanzlinie spaltet im elektrischen Feld in 5 Komponenten auf, von denen zwei zusammenfallen. Das lokale elektrische Feld wird aus der Größe der Stark-Verschiebung dieser Linien abgeleitet. Durch Auswertung der m = 0, 1 Komponenten können Felder zwischen 200 kV/cm und 1MV/cm bestimmt werden, während die m=2 Komponente für Felder zwischen 1 und 4 MV/cm geeignet ist. Die Diagnostik wurde in mehreren Experimenten an KALIF eingesetzt. Eine unerläßliche Voraussetzung für den Erfolg der Diagnostik ist, dass der Betrieb der Vakuumdiode durch den Li-Dampfstrahl nicht verändert wird. Zugleich muß jedoch die

Intensität der Spektrallinie genügend groß sein, um die Spektrallinienverschiebung zuverlässig messen zu können. Die Experimente an KALIF haben gezeigt, dass beides vereinbar ist.

Li 3d-2p Resonanzlinienemission an 10 Positionen im Beschleunigungsspalt der KALIF-Diode. Jede Linie kann in einem Spektralfenster von 48 Å analysiert werden.

Es wurde jedoch beobachtet, dass die Li-Resonanzlinie mit dem Auftreten der Beschleunigungsspannung in der Diode innerhalb weniger Nanosekunden verschwindet. Theoretische Abschät-zungen zu möglichen Ursachen haben bisher keine Erklärung gebracht. Es konnte gezeigt werden, dass Feldionisation, Elektronen- oder Ionenstoßionisation, sowie Absorption durch Plasmabildung als Erklärung nicht in Frage kommen. Da aufgrund der Stilllegungsbeschlüsse zu KALIF und KALIF-HELIA in der zweiten Jahreshälfte nur noch wenige Experimente durchgefüht wurden, konnte das Phänomen nicht abschließend geklärt werden. Da die Methode jedoch universell zur Messung elektrischer Felder in gepulsten Hochspannungsanlagen ein-gesetzt werden kann, soll versucht werden, das beobachtete Phänomen in anderem Zusammenhang zu klären.

Targetexperimente an KALIF

Einkristalle sind fast völlig frei von Störstellen, durch die Materialeigenschaften wie Festigkeit oder plastisches Verhalten beeinflußt werden. Bei den an KALIF erreichbaren sehr hohen Dehn- bzw. Verformungsraten (~106 s-1 bzw. ~108 s-1) werden zusätzlich Prozesse mit Relaxationszeiten >10-6 s weitgehend ausgeschaltet. In Experimenten an Aluminium konnten so Phänomene beobachtet werden, die sonst durch Störeffekte verdeckt werden.

Während gemeinsame Experimente im Inst. for Problems of Chemical Physics (IPCP) in Chernogolovka ergaben, dass bei den dort erreichbaren Dehnraten von 104 s-1, wie zu erwarten, die Zugfestigkeit mit zunehmender Temperatur stetig abnimmt, zeigten Messungen an KALIF, dass die Zugfestigkeit praktisch konstant bleibt. Selbst bei einer Temperatur, die nur 20 K unter dem Schmelzpunkt von 933 K liegt, nimmt die Zugfestigkeit nur um 30% ab. Unter diesen Bedingungen sollte aber das Material unter Spannung schon flüssig sein, und deshalb die Festigkeit auf sehr niedrige Werte abfallen.

Die Experimente im IPCP wiesen außerdem auf ein auffälliges Temperaturverhalten der Schockfront hin. Untersuchungen an KALIF mit einer um den Faktor 20 höheren Zeitauflösung ergaben dann, dass die Streckgrenze von Aluminium bei hohen Dehnraten mit steigender Temperatur stark zunimmt: von ~40 MPa bei 300 K auf ~2.5 GPa bei 900 K. Gleichzeitig wurde ein Anstieg der Zähigkeit oberhalb der Streckgrenze um einen Faktor 7 beobachtet. Bei uniaxialer Kompression, wie sie in Schockwellen-Experimenten vorliegt, erfolgt plastische Ver-

0

20

40

60

80

100

Wavelength

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[rel

. uni

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48 Å

18

formung durch Gleiten mikrokristalliner Bereiche gegeneinander. Die hohe Zugfestigkeit und Zähigkeit bei Annäherung an die Schmelztemperatur ist möglicherweise ein Indiz für das Vorhan-densein eines Gemisches aus flüssiger Phase und "kristallinen Schollen", deren Gleiten gegeneinander durch die Phonon-Viskosität kontrolliert wird. Erste Ergebnisse an Kupfer-Einkristallen zeigen diesen Effekt nicht. Dies liegt eventuell daran, dass die höchste erreichte Temperatur von 1120 K noch zu weit unterhalb der Schmelztemperatur von 1356 K liegt.

Erste Schockwellen-Messungen an nanostrukturierter Al2O3-Keramik deuten auf eine starke Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der Porosität selbst im engen Intervall zwischen 3% - 5% hin.

Der neu aufgebaute gepulste Nd:YAG-Single-Frequency-Laser für das Laser-Doppler-Velozimeter wurde erfolgreich eingesetzt. Er liefert nach Frequenzverdoppelung eine Leistung von >50 W bei einer Wellenlänge von 532 nm. Dies liegt um etwa den Faktor 100 über der stets knappen Leistung des bisher verwendeten Argon-Ionen-Lasers. Damit erhält man auch bei hohen Streak-Geschwindigkeiten und an stark diffus reflek-tierenden Targets kontrastreiche Interferenzstreifen aus-reichender Intensität.



42122 43462 43464 43465 43466 44602 44648 45717 46224 46307 46531 47043

V47093 V47324

47764 47989 47990 48143 48214 48251 48376

V48420 V48720 V48935 V48936 V48941

49013 49014 49015

W. An Dr. K. Baumung Dr. H. Bluhm L. Buth Dr. P. Hoppé K. Leber Dr. A. Ludmirsky (Gastwissenschaftler) H. Massier J. Singer O. Stoltz Dr. D. Rusch

Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik (IHM) · 32 Projekt Nukleare...

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