The aim of thermonuclear fusion research is to confine a hot deuterium-tritium (D-T) plasma long enough so that fusion reactions between hydrogen isotope ions occur, leading to a commercial power generation. The successful operation of fusion devices depends on the development of plasma facing components (PFCs) which can withstand the surface heat loads of up to 20 MW/m2 under quasi-stationary conditions. Copper alloys have been considered as a structural material for the heat sink substrate of a PFC due to their excellent thermal conductivity. However, insufficient high temperature strength and large thermal expansion set the limitations to structural applications. Fiber-reinforced metal matrix composites (FRMMCs) can be a candidate for a structural material for the future PFCs due to the excellent high temperature strength. Since the FRMMCs of the PFCs are exposed to thermal and mechanical loads, the resulting stress fields in mesoscopic level is highly heterogeneous and often exceed the yield limit of the matrix. The shakedown limit was investigated as the safety criterion of the FRMMCs considering the fusion-relevant thermomechanical loads. In principle, it is possible to determine the macro- and mesoscopic stress states by means of finite element method (FEM), in which the real FRMMC architecture is modeled by direct meshing. Surely, this is not a practical approach since it requires a high computational cost. In this case, shakedown analysis can be an appropriate tool to estimate structural safety. The shakedown theorems were formulated by several researchers. Further, these could be combined with FEM and the large-scale nonlinear optimization program and applied to complex system. In this work, the shakedown formulation was extended to three-dimensional models. The developed computational algorithm was verified by comparing with literature results. The shakedown limits were determined for both lamina and laminate of FRMMC composite system. The results showed that shakedown limits were dependent on geometrical factor (fiber architecture and fiber volume fraction), loading direction, thermal loading, and hardening effect. They were discussed based on the maximum value and the distribution of von Mises stress. The stress and temperature loading paths of FRMMC components were determined in the fusion-relevant loading. The thermomechanical loading paths obtained were compared with the shakedown limits. The results showed that the loading paths in the real operation situation were only partly covered by the area of shakedown limit. It was interpreted that the FRMMC layers may undergo low cycle fatigue.     «

The aim of thermonuclear fusion research is to confine a hot deuterium-tritium (D-T) plasma long enough so that fusion reactions between hydrogen isotope ions occur, leading to a commercial power generation. The successful operation of fusion devices depends on the development of plasma facing components (PFCs) which can withstand the surface heat loads of up to 20 MW/m2 under quasi-stationary conditions. Copper alloys have been considered as a structural material for the heat sink substrate of...     »

Das Ziel der thermonuklearen Fusionsforschung ist es, ein heißes Deuterium-Tritium (D-T) Plasma lange genug einzuschließen, so dass Fusionsreaktionen zwischen Wasserstoffisotopen stattfinden, so dass eine kommerzielle Elektrizitätserzeugung ermöglicht wird. Der erfolgreiche Betrieb von Fusionsanlagen hängt von der Entwicklung plasmabelasteter Komponenten (PFCs) ab, die einer Wärmelast von bis zu 20 MW/m² auf ihrer Oberfläche unter quasistationären Bedingungen standhalten können. Als Strukturmaterial für die Wärmesenkenträger einer PFC werden Kupferlegierungen wegen ihrer exzellenten thermischen Leitfähigkeit in Betracht gezogen. Ungenügende Hochtemperaturfestigkeit und starke Wärmeausdehnung setzen jedoch Grenzen in der Strukturanwendung. Faserverstärkte Metallmatrix-Kompositmaterialien (FRMMCs) können wegen ihrer hervorragenden Hochtemperaturfestigkeit als Strukturmaterialien für künftige PFCs in Frage kommen. Da die FRMMCs der PFCs mit ihrer heterogenen Mikrostruktur thermischen und mechanischen Lasten ausgesetzt sind, sind die resultierenden Spannungsfelder auf mesoskopischer Ebene stark heterogen und überschreiten oft die Fließgrenze der Matrix. In dieser Arbeit wurden die Einspielgrenzen als Sicherheitskriterien der FRMMCs unter Berücksichtigung fusionsrelevanter thermomechanischer Lasten untersucht. Es ist prinzipiell möglich die makroskopischen und mesoskopischen Spannungszustände mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) zu ermitteln, wenn der tatsächliche FRMMC-Aufbau durch direkte Vernetzung modelliert ist. Das ist natürlich keine praktische Näherung, da sie hohe Rechnerleistung erfordert. Alternativ kann eine Einspielanalyse ein geeignetes Werkzeug zur Abschätzung der strukturellen Sicherheit sein. Die Einspieltheoreme wurden von mehreren Forschern formuliert. Ferner können sie mit FEM und großskaligen nichtlinearen Optimierungsprogrammen kombiniert und auf komplexe Systeme angewandt werden. In dieser Arbeit wurde die Einspielformulierung auf dreidimensionale Modelle erweitert. Der entwickelte Rechenalgorithmus wurde durch den Vergleich mit Literaturergebnissen überprüft. Die Einspielgrenzen wurden sowohl für Einzelschichten als auch für Laminate von FRMMC-Kompositsystemen ermittelt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Einspielgrenzen von geometrischen Faktoren (Faseraufbau und Faservolumenanteil), Belastungsrichtung, thermischer Last und Aufhärtungseffekten abhängen. Sie wurden unter Berücksichtigung der maximalen von-Mises-Spannungen und ihrer Verteilungen interpretiert. Spannungs- und Temperaturlastkurven der FRMMC-Komponenten wurden für fusionsrelevante Bedingungen bestimmt. Die gewonnenen thermomechanischen Lastkurven wurden mit den Einspielgrenzen verglichen. Die Lastkurven decken im realen Betrieb nur teilweise den Bereich der Einspielgrenzen ab. Dies lässt sich mit plastischer zyklischer Ermüdung der FRMMC-Schichten interpretieren.     «

Das Ziel der thermonuklearen Fusionsforschung ist es, ein heißes Deuterium-Tritium (D-T) Plasma lange genug einzuschließen, so dass Fusionsreaktionen zwischen Wasserstoffisotopen stattfinden, so dass eine kommerzielle Elektrizitätserzeugung ermöglicht wird. Der erfolgreiche Betrieb von Fusionsanlagen hängt von der Entwicklung plasmabelasteter Komponenten (PFCs) ab, die einer Wärmelast von bis zu 20 MW/m² auf ihrer Oberfläche unter quasistationären Bedingungen standhalten können. Als Strukturmate...     »