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Thermo-Mechanik von Schuttbetten in Fusionsreaktorblankets Heliumgekuhlte Schuttbetten (HCPB: Helium Cooled Pebble Beds) werden in der Ummantelung von Fusionsreaktoren, dem sogenannten Blanket, zur Tritiumerzeugung und als Neutronenmultiplikator verwendet und unterliegen somit harten Einsatzbedingungen. Die Schuttbetten bestehen aus nahezu kugelformigem Granulat und weisen aufgrund dieser diskreten Beschaffenheit ein komplexes Materialverhalten auf. Eines der wichtigsten Forschungsthemen bei HCPB-Blankets ist die Abhangigkeit der Warmeleitfahigkeit von der Druckspannung, die durch die thermische Ausdehnung der Schuttbetten im Betrieb hervorgerufen wird. Um den Anforderungen in Hinblick auf Design und Analyse eines HCPB-Blankets gerecht zu werden, wird ein Materialmodell benotigt, das die thermo-mechanische Antwort auf eine ausere Anregung vollstandig gekoppelt beschreibt. In der vorliegenden Dissertation wurden ein numerisches Simulationsverfahren fur Schuttbetten unter fusionstypischen Einsatzbedingungen entwickelt. Die Schuttbetten aus Brutkeramik und Beryllium werden dabei mittels der Diskrete-Elemente-Methode und phanomenologischer Ansatze modelliert. Daruber hinaus wird gezeigt, wie vorhandene experimentelle Ergebnisse im Rahmen dieser Vorgehensweise ausgenutzt werden konnen. Bei der Diskrete-Elemente-Methode werden die einzelnen Granulatkorner unter Gleichgewichtsbedingungen betrachtet. Hierbei wird neben der Anordnung der einzelnen Partikel auch das globale Bauteilverhalten unter Einwirkung makroskopischer Druckbelastung untersucht. Ausgehend von einer zufalligen Packungsdichte als Anfangsbedingung liefert die Simulation die Verteilung der Kontaktbelastung zwischen den einzelnen Partikeln. Die Simulation eines einachsigen Drucktests mit Hilfe der Diskrete-Elemente-Methode ergab dabei eine quantitative Ubereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen. Daruber hinaus wurden die Beziehungen zwischen mikroskopischen Grosen, wie z.B. der maximalen Kontaktbelastung oder der Koordinationszahl im Bauteil zu makroskopischen Belastungsgrosen untersucht. In einem zweiten Ansatz wurde das globale Materialverhalten unter fusionsahnlichen Bedingungen durch ein phanomenologisches Modell beschrieben, welches die Schuttbetten als kontinuierliches Material betrachtet. Ziel ist die Entwicklung eines Materialgesetzes, das in eine Finite-Elemente-Simulation des Gesamtbauteils eingebunden werden kann. Das thermo-mechanische Materialverhalten wird dabei durch ein nichtlineares Elastizitatsgesetz abgebildet, welches ein modifiziertes Drucker-Prager-Cap Modell sowie eine dehnungsabhangige Warmeleitfahigkeit beinhaltet. Die benotigten Materialparameter wurden aus vorhandenen experimentellen Ergebnissen abgeleitet. Dieses Vorgehen wurde anhand verschiedener Schuttbett-Varianten angewendet und fur unterschiedliche Temperaturniveaus verifiziert. Daruber hinaus wurde das phanomenologische Modell in eine benutzerdefiniterte Materialroutine implementiert, um vollstandig gekoppelte thermo-mechanische FE-Analysen durchfuhren zu konnen. Die Grenzflache zwischen Granulat und Behalterwand wird durch ein Warmeubergangsmodell dargestellt, welches die Warmeleitung im Kontaktbereich bei unterschiedlichen Spannungen und Temperaturen berucksichtigt. In einer Vergleichsstudie wurden die Ergebnisse der Simulation auf Basis des phanomenologischen Modells mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Dabei hat sich gezeigt, dass der vorliegende Modellierungsansatz fur die thermo-mechanische Analyse eines Fusionsreaktorblankets geeignet ist. Abschliesend wird gezeigt, dass die in der vorliegenden Dissertation entwickelten numerischen Methoden eine effiziente Analyse von HCPB-Blankets ermoglichen und somit ein wichtiges Werkzeug in Hinblick auf das Design derartiger Bauteile darstellen. Daruber hinaus liefert die vorliegende Arbeit die Grundlage, um weitere experimentelle Daten, wie z.B. zum Schwellen oder zur Degradation durch Bestrahlung in das vorhandene Materialmodell fur Schuttbetten zu implementieren.

Thermo-mechanics of pebble beds in fusion blankets