Performance of structural materials for the DEMO divertor

Tejado Garrido, Elena Maria (2017). Performance of structural materials for the DEMO divertor. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.47067.

Descripción

Título: Performance of structural materials for the DEMO divertor
Autor/es:
  • Tejado Garrido, Elena Maria
Director/es:
  • Pastor Caño, José Ygnacio
  • Pérez Zubiaur, Pablo
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Departamento: Ciencia de los Materiales
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Uno de los condicionamientos críticos para el desarrollo de la fusión nuclear como fuente viable y sostenible de energía es el diseño de materiales estructurales que puedan soportar las condiciones extremas de operación que tienen lugar en el interior de un reactor de fusión. El problema de los materiales es especialmente complejo para los componentes de la vasija que interactúan directamente con el plasma (PFM, Plasma Facing Materials). Estos materiales tienen que trabajar en condiciones extremas (tanto mecánicas, térmicas como eléctricas) e incluso llegar a soportar el impacto directo del plasma. Del mismo modo, la unión entre estos PFM y los sistemas de refrigeración propuestos para el reactor es un tema que aún no ha sido resuelto. La diferencia entre los coeficientes de expansión térmica, así como la conductividad de los materiales en juego: aleaciones de base wolframio como PFM y tuberías de cobre o CuCrZr por las que circulará el fluido refrigerante, hacen necesario el desarrollo y la caracterización de nuevos materiales. Por este motivo, el objetivo fundamental de esta tesis es estudiar el comportamiento mecánico de nuevas aleaciones de base wolframio para los futuros reactores de fusión, tanto para su aplicación como PFM, en disipadores de calor (Heat Sink Materials) o en barreras térmicas. La limitada cantidad de material disponible (ya que se encuentra en fase de desarrollo en laboratorio), así como el esfuerzo por simular las condiciones de presión y temperatura en operación de estos materiales, ha requerido el desarrollo de nuevas técnicas de caracterización mecánica. Gracias a ellas ha sido posible ahondar en el comportamiento a fractura de estos materiales, permitiendo obtener variables tan interesantes como la curva R en función de la temperatura, algo completamente novedoso dadas las características particulares de los materiales objeto de este estudio. Con el objetivo de mejorar la ductilidad del wolframio, para su uso como PFM, se han estudiado diversas aleaciones (W-2Ti, W-1TiC, W-5TiC, W-5Ta y W-15Ta, todas las composiciones expresadas en porcentajes en masa) procesadas por ruta pulvimetalúrgica y consolidadas mediante prensado isostático en caliente (HIP, Hot Isostatic Pressing). El efecto de los distintos elementos, ya sean aleantes, como el Ti o el Ta, o fase reforzante cerámica dispersa, como el TiC, y su porcentaje, así como las condiciones de producción (tiempo de molienda y prensado), han sido analizados mediante ensayos de flexión y fractura en el intervalo de temperaturas entre 25 °C y 1200 °C, en aire y en alto vacío. Adicionalmente, los micro-mecanismos de rotura fueron identificados mediante microscopía electrónica de barrido. Los resultados obtenidos permitieron determinar los parámetros óptimos de procesado, en términos de densificación y microestructura obtenida. Sin embargo, casi todas las aleaciones estudiadas mostraron un comportamiento mecánico frágil, en casi todo el intervalo de temperaturas, sin lograse una optimización de la temperatura de transición dúctil-frágil, en comparación con el wolframio puro. Por otro lado, también se han caracterizado, en atmósfera inerte hasta 800 °C de temperatura, materiales compuestos producidos mediante infiltración de cobre y CuCrZr en una preforma porosa de wolframio. El principal uso de estos materiales es como disipadores de calor. Además, cabe destacar el desarrollo e implementación de un sistema experimental para realizar ensayos de tracción en este entorno mediante correlación digital de imágenes. Con él, ha sido posible determinar que las propiedades mecánicas y térmicas (coeficientes de conductividad y dilatación térmicos) de estos materiales son superiores a las de los productos comerciales actuales, pudiéndose optimizar estos parámetros mediante el control de la porosidad en la preforma inicial. Con el fin de aumentar la temperatura de operación del reactor, sin comprometer la unión entre el PFM y el sistema de refrigeración, es necesario el desarrollo de materiales que actúen como barrera térmica. Es por ello que se han estudiado, además, cermets de base WC-Cu con distintos porcentajes de cobre (25, 50 y 75 vol% Cu). El análisis mecánico y microestructural se ha realizado hasta 800 °C, temperatura superior a la prevista a alcanzar en servicio. Las superficies de fractura de las probetas ensayadas revelaron dos mecanismos de fractura predominantes: i) fractura intragranular por clivaje de los granos de WC; y ii) la ruptura dúctil de la fase de cobre, cuyo efecto en las propiedades mecánicas es más evidente conforme su contenido en el cermet aumenta. Es más, se ha demostrado que una pequeña proporción de Cu en el cermet puede reducir considerablemente la elevada diferencia entre los coeficientes de expansión térmica del W y del CuCrZr, usados como PFM y sistema de refrigeración, respectivamente, sin aumentar significativamente su conductividad térmica. En definitiva, se ha conseguido una caracterización exhaustiva del comportamiento mecánico en función de la temperatura de tres grupos de materiales, con aplicaciones complementarias en los futuros reactores de fusión ITER y DEMO. Se ha ampliado y mejorado el conocimiento del comportamiento a fractura de materiales de base wolframio, para lo que ha sido necesario desarrollar nuevas técnicas de caracterización mecánica y una nueva metodología de obtención de la curva R en condiciones de alta temperatura. One of the most critical issues to the development of nuclear fusion, as a viable and sustainable source of energy, is the design of structural materials that can withstand the harsh operating conditions inside the reactor. These conditions are especially hostile for the components that line the vacuum vessel and are exposed directly to the plasma (PFM, Plasma Facing Materials) in the divertor. They should work in particularly extreme conditions (both mechanical, thermal and electrical) while subjected to high particle and neutron flux. Furthermore, the joint between these PFMs and the proposed cooling systems of the reactor is an issue that has not been solved yet. The difference between the coefficients of thermal expansion and conductivity of the materials under research: tungsten base alloys as PFM and copper or CuCrZr pipes through which the cooling fluid will circulate, make it necessary the development and characterization of novel materials. Therefore, the scope of this thesis is to study the thermo-mechanical performance of novel tungsten-based alloys for future fusion reactors, for use both as PFM, in heat sinks (Heat Sink Materials) or as thermal barriers. The limited amount of available material (as they are in the laboratory stage), as well as the focus on simulating the operation conditions of pressure and temperature, made it essential to develop new techniques for mechanical characterization. Thus, it has been possible to examine the fracture behaviour of these materials, obtaining relevant variables such as the R-curve as a function of temperature. This is something entirely new due to the characteristics of the materials under study. With the aim of improving the ductility of tungsten, for its use as PFM, several alloys have been studied (W 2 wt% Ti, W-1 wt% TiC, W 5 wt% TiC, W 5 wt% Ta and W 15 wt % Ta). These were produced by powder metallurgy and consolidated by hot isostatic pressing (HIP). The effect of the different alloying elements (Ti, TiC and Ta) and their percentage, as well as the processing parameters (grinding and milling time), were analysed through flexural and fracture tests in the temperature range between 25 °C and 1200 °C, both in air and under high vacuum atmospheres. Additionally, the micro-mechanisms of failure were identified by scanning electron microscopy. Thus, the processing parameters to achieve the optimal densification and microstructure were identified. However, despite of this, the results revealed brittle mechanical behaviour in almost the entire temperature range for the alloys, with no improvement in the ductile to brittle transition temperature, as compared to pure tungsten. Metal matrix composites produced by melt infiltration of copper and CuCrZr in a porous preform of tungsten have also been characterized up to 800 °C temperature and under high vacuum, for their use as heat sinks. In addition, it is worth highlighting the development and implementation of an experimental setup to perform tensile tests in this environment through digital image correlation. Accordingly, the mechanical and thermal properties (coefficients of thermal expansion and conductivity) of these materials have been obtained, and they are superior to those of the current commercial products. Furthermore, thermal properties can be tailored by controlling the porosity of the initial W preform, hence the composition of the final product. In order to increase the operating temperature of the reactor, without compromising the joint between the PFM and the cooling system, it is necessary to develop materials that act as a thermal barrier. For this purpose, WC-Cu base cermets with different compositions (25, 50 and 75 vol% Cu) have also been studied. The mechanical and microstructural analysis was performed up to 800 °C, which is higher than the service temperature. The fracture surfaces of the test specimens revealed two predominant fracture mechanisms: (i) intragranular fracture by cleavage of WC grains; and ii) ductile rupture of the copper phase, whose effect on mechanical properties is more evident as its content in the cermet increases. Moreover, it has been shown that a small proportion of Cu in the cermet can considerably reduce the high difference between the thermal expansion coefficients of W and CuCrZr, used as PFM and cooling system, respectively, without significantly increasing its thermal conductivity. In the overall, a comprehensive characterization of the mechanical behaviour as a function of temperature of three groups of materials, with complementary tasks in the future fusion reactors ITER and DEMO, has been achieved. Furthermore, the understanding of fracture behaviour of tungsten-based materials has been broadened and improved. To achieve it, new characterization techniques and a novel methodology for obtaining the R-curve at high temperature, have been developed.

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ID de Registro: 47067
Identificador DC: http://oa.upm.es/47067/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:47067
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.47067
Depositado por: Biblioteca ETSI Caminos
Depositado el: 28 Jun 2017 10:18
Ultima Modificación: 27 Dic 2017 23:30
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