Charakterisierung der Strahlenbeständigkeit von ITER-relevanten und innovativen Faserverbundwerkstoffen für das ITER Magnetsystem

Abstract

Kurzfassung Die spezielle Anwendung von Glasfaserverbundstoffen als Isolationsmaterialien für die supraleitenden Magnetspulen im ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) Fusionsreaktor stellt extrem hohe Anforderungen an das Materialverhalten. Die Exposition der Materialien an Neutronen- und Gammastrahlung und die enormen Reaktionskräfte seitens des Magnetsystems erfordern eine mechanische Integrität der Isolationen über einen Betriebszeitraum von 20 Jahren. Materialien, die als Spulenisolationen vorgeschlagen werden, müssen zuvor einem intensiven Testprogramm mit Hinblick auf die aktuellen ITER-Design Kriterien unterzogen werden. Entscheidend ist dabei die Änderung der Zugfestigkeit und vor allem der interlaminaren Scherfestigkeit sowohl unter statischer als auch schwingender Last (Zugschwellbereich) bei 77 K nach Bestrahlung bei der ITER-Design Fluenz von 1x1022 m-2 (E=0.1 MeV). Der gepulste TOKAMAK-Betrieb wird mit einer Frequenz von 10 Hz bei einer Ratio von 0.1 simuliert und die Materialermüdung bis über den für ITER relevanten Bereich von 3x104 Zyklen getestet. Die bestehenden Isolationen für die Toroidale Feldmodellspule basieren auf kombinierten Glasfaser/Kaptonbändern imprägniert mit dem di-funktionellen Epoxid-Harz DGEBA. Ein umfangreiches Testprogramm hat verdeutlicht, dass die Strahlenbeständigkeit der verwendeten organischen Imprägnierungsharze eine massive Schwächung bei 1x1022 m-2 (E=0.1 MeV) erfährt. Das Bruchgeschehen nach der Bestrahlung ist besonders von drei Faktoren dominiert: der Bandwickelrichtung, der Produktionsqualität und der extremen Delamination des gesamten Verbundes. Zusätzlich erweisen sich Klebemittel zur unterstützenden Haftung zwischen Glas- und Kaptonband als nicht strahlenresistent und beeinflussen das Materialverhalten nachteilig. Vor allem das interlaminare Scherverhalten bleibt hinter den Erwartungen der ITER-Kriterien zurück. Diese Erkenntnisse waren zugleich Motivation zur Entwicklung innovativer, stabilerer Harzsysteme. Qualitativ hochwertige Zyanat Ester Harze in Kombination mit Poliyimid- und Bismaleinimiden zeichnen sich entsprechend den mechanischen ITER-Anforderungen durch erhöhte Strahlenbeständigkeit, Materialfestigkeit und geringes Anschwellen aus. Signifikante Festigkeitseinbrüche sind bei diesen Materialien erst bei einer Fluenz von 5x1022 m-2 (E=0.1 MeV) zu erwarten. Fortschrittlich erweisen sich auch Keramik- und Hybridsysteme, die aufgrund ihrer hohen Hitzeresistenz eine Vereinfachung des Isolationsprozesses bewirken. Während ihre Zugfestigkeitswerte durchaus den Vorgaben entsprechen, führt die Natur der inorganischen/organischen Matrixzusammensetzung zu einer systematischen Abnahme der Scherfestigkeiten mit steigender Bestrahlungsdosis. Reine Keramiken zeigen zwar einen konstanten Festigkeitsverlauf im Bereich von 1x1021 bis 5x1022 m-2 (E=0.1 MeV), sind jedoch aus verschiedenen Gründen ohne Relevanz für ITER.

Abstract The application of glass-fiber reinforced composites for the insulation of the superconducting magnet coils of the ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor ) fusion device requires high material performance. The mechanical integrity of the insulation is influenced by the neutron- and g- environment and by the high mechanical stresses of the magnet system over the entire plant lifetime of 20 years. Materials suggested as insulation have to be investigated in extensive test programs with respect to the present ITER design criteria. In particular, the ultimate tensile strength as well as the interlaminar shear behavior will change under static and dynamic load (tension-tension fatigue) at 77 K after irradiation to the ITER design fluence level of 1x1022 m-2 (E=0.1 MeV). Therefore, a frequency of 10 Hz and a ratio of 0.1 were chosen, in order to simulate the pulsed TOKAMAK-operation as closely as possible. Furthermore, the fatigue behavior of the material is investigated over more than 3x104 cycles, which is the ITER- relevant design fatigue limit. Basically, these insulation systems are based on combined glass-fiber/Kapton tapes, which are impregnated with di-functinal DGEBA epoxy resins. Several mechanical investigations showed that the radiation resistance of these organic resins is dramatically affected by radiation at a neutron fluence of 1x1022 m-2 (E=0.1 MeV). Moreover, the material strength after irradiation is strongly influenced by three factors: the winding direction of the tapes, the quality of fabrication and the drastic delamination process of the whole compound. Furthermore, the radiation induced damage of adhesives applied for supporting the interfacial bonding between the glass-fiber tape and Kapton has an adverse effect on the material performance. In addition, the poor interlaminar shear behavior does not fulfil the requirements of ITER. These test-results motivated for the development of innovative resin systems with higher stability. The combination of high quality cyanate ester resins with poliymides- and bismaleinimides led to materials with a higher radiation- resistance, material strength and low swelling as required by the ITER design criteria. A significant damage of these materials is expected only at a neutron fluence of 5x1022 m-2 (E=0.1 MeV). Alternative ceramic- and hybrid systems would simplify the insulation procedure due to their good high temperature resistance. The nature of the inorganic/organic matrix compositions leads to a systematic decrease of the interlaminar shear behavior with increasing dose level, while the results on their ultimate tensile strength meet the requirements. In particular, the strength of pure ceramics remains almost constant in the range from 1x1021 to 5x1022 m-2 (E=0.1 MeV), but the materials are not relevant for the ITER fusion device for various reasons.