Faser- und drahtverstärkte Kupferlegierungen als Wärmesenke für Fusionsreaktoren

Abstract

Zusammenfassung. Die CuCr1Zr-Legierung wird wegen ihrer mechanischen Eigenschaften und Leitfähigkeit (310-330 W/m/K bei 20°C) in experimentellen Fusionsreaktoren und im zukünftigen Fusionsreaktor ITER als Wärmesenke eingesetzt. Diese warmaushärtbare Legierung ist wegen der Alterung nur bis zu Temperaturen von 450°C einsetzbar. Eine Möglichkeit die Einsatztemperatur zu erhöhen (angestrebt wird 550°C) besteht in einer Verstärkung mit SiC-Fasern oder W-Drähten. Mit Hilfe von mit der CuCr1Zr-Legierung beschichteten SiC (SCS-6)-Fasern und W-Drähten (beide mit einem Durchmesser von ~150 µm) wurden Cu-MMC’s (Kupfer-Metallmatrix-Verbundwerkstoffe) hergestellt und deren Eigenschaften (Grenzflächeneigenschaften, Festigkeit, thermische Leitfähigkeit) ermittelt. Nach der Konsolidierung durch Heiß-Isostatisches-Pressen ist die Kupfermatrix gealtert, sodass eine zusätzliche Warmaushärtung notwendig ist, um optimale Verbundeigenschaften zu realisieren. Die Festigkeit der verschiedenen Cu-MMC’s wurden in Abhängigkeit des Volumenanteils der Verstärkungselemente bestimmt. Die Zugfestigkeit steigt mit zunehmendem Volumenanteil der Fasern oder Drähte und erreicht z.B. eine Zugfestigkeit von 1000 MPa bei einem Faservolumenanteil von 24% oder Drahtvolumenanteil von 27%. Wärmeleitfähigkeitsmessungen, mit Hilfe einer Laserflashanlage durchgeführt, zeigen, dass die thermische Leitfähigkeit mit zunehmendem Faservolumenanteil abnimmt (sie beträgt z.B. 200 W/m/K bei einem SiC-Faservolumenanteil von 30%). Die W-drahtverstärkte CuCr1Zr-Legierung wird auf Grund der besseren Leitfähigkeit und Grenzflächeneigenschaften ausgewählt, um das Potential von Cu-MMC’s für Wärmesenken in einer ersten Entwurfstudie am Beispiel unterschiedlicher Divertorbautypen abzuschätzen.