Characterisation of mechanical and thermal properties of tungsten for high power spallation target applications

Inom ett par år kommer det nya materialforskningscentret ESS, The European Spallation Source, att stå färdigbyggt. Det kommer då vara det mest avancerade forskningsinstitutet i sitt slag och leverera upp till 30 gånger fler neutroner än någon annan neutronkälla i världen. En av de viktigaste komponenterna på ESS är det s.k. strålmålet som består av nästan 7000 bitar av det metalliska grundämnet volfram. Volframets enda, och för ESS helt avgörande uppgift, är att ge ifrån sig så många av sina neutroner som möjligt. Neutronerna produceras i den s.k. spallationsprocessen som går ut på att skjuta protoner med hög hastighet mot volfram för att på så sätt slå ut dess neutroner.

Protonstrålen levererar 14 pulser i sekunden och är mycket kraftfull. Energin från protonerna som träffar volframet motsvarar energin som krävs för att stoppa en Mercedes-Benz S-klass som kör i 250 km/h – varje sekund. Varje puls kommer att öka temperaturen i volframet med ca 100 °C, vilket innebär att volframet får utstå höga cykliska termiska och mekaniska belastningar. Volframet kommer även att få strålskador av protonstålen och bli radioaktivt. Protonerna slår dels sönder volframatomerna, vilket omvandlar dem till en mängd andra, mer eller mindre stabila ämnen, dels skjuter de iväg hela atomen från sin ordinarie position vilket skapar vakanser i gittret. Mängden vakanser har en starkt negativ inverkan på materialets egenskaper.

Hanteringen av radioaktiva volframprover är mycket komplicerad och begränsad till särskilda laboratorier med s.k. hotcells, där proverna bearbetas med hjälp av robotarmar. På grund av svårigheten att dels producera, dels hantera radioaktivt volfram finns det i nuläget väldigt begränsad kunskap om hur materialet påverkas av strålning. Det är svårt att förutsäga hur väl det bestrålade volframet kommer att stå emot de kraftiga protonpulserna.

En stabil och tillförlitlig drift av ESS kräver en noggrann design av strålmålet. För att undvika att volframet oxiderar måste maxtemperaturen sättas på rätt nivå, detsamma gäller för den högsta tillåtna spänningen i materialet. Hänsyn måste även tas till att materialegenskaperna förändras av bestrålning, bl.a. försämras värmeledningsförmågan vilket leder till ännu högre temperaturer som i sin tur leder till ännu högre spänningar. Dessutom blir bestrålat volfram extremt sprött, och risken för utmattning som följd av den cykliska belastningen ökar kraftigt.

I den här avhandligen presenteras studier gjorda på både bestrålat och obestrålat volfram. Med hjälp av olika experiment kartläggs materialegenskaperna med särskilt fokus på volframets roll som neutronproducerande strålmål. Oxidationsstudier resulterade i ett förslag på 500 C som maxtemperatur. Utmattningsstudier visade att valsat volfram är överlägset bäst och att den högsta tillåtna spänningen borde sättas till 100 MPa. Mätningar av hårdhet, brottgräns och termisk diffusivitet av bestrålat volfram gav svar på hur strålning förändrar materialegenskaperna. Hårdheten ökade med mer än 50% och den termiska diffusiviteten minskade med 28-51%, beroende på testtemperaturen. Proverna blev extremt spröda och bröts utan några tecken på föregående deformation. Den experimentella datan användes för att simulera hur temperaturen och spänningen i volframet påverkas av de nya materialegenskaperna. Resultatet har använts för att förbättra designen av strålmålet.

Nyckelord: ESS, Volfram, Spallation, Mekaniska egenskaper, Utmattning, Oxidation, Strålningseffekter, Termisk diffusivitet.