Impact of viscous stress relaxation on the residual stress of a W-Cu joint componentdesigned for the high-heat-flux targets of a nuclear fusion reactor

Abstract

El escudo del divertor compuesto por W-Cu será producido por el método HRP (Hot Radial Pressing), el cual utiliza altas temperaturas (580 ºC) y presiones (60 MPa). El proceso genera una fuerte unión entre la armadura de tungsteno, la entrecapa de cobre y tubería de refrigeración, compuesta de una aleación de cobre. Debido a la notable diferencia de propiedades termomecánicas de los materiales y al transitorio térmico durante HRP, un aumento de estreses residuales tendrá lugar. Estudios previos analizaron el aumento de estreses residuales que tiene lugar en la producción usando modelos elasto-plásticos, mientras que los efectos viscosos solo se consideraron de forma puntual. Estudios experimentales, como difractometría de neutrones, fueron realizados para medir los estreses residuales y comparar los resultados con métodos computacionales. En el futuro se realizarán estudios experimentales que requiren de modelos computacionales para la interpretación de los resultados. Sin embargo, previamente ciertos retos técnicos tienen que ser resueltos.

En esta tesis profudiza en el impacto de la fluencia usando la técnica de elmentos finitos. También se desarrolla una técnica para simular cortes. Los resultados obtenidos son utilizados para el apoyo de mediciones de estreses residuales, pruebas de materiales y diseño de componentes.

The W-Cu divertor target shall be produced using the HRP (Hot Radial Pressing) method, which utilizes high temperatures (580 ºC) and pressures (60 MPa). The process produces a strong joint between the tungsten armor, the copper interlayer and the copper alloy cooling pipe. Due to the substantial mismatch in thermomechanical properties of the materials and the thermal transient that takes place in HRP, residual stresses build-up during production. Previous computational studies have analyzed the residual stresses of the parts after HRP under the elasto-plastic assumption, while viscous effects were only considered as a special case. Experimental studies, such as neutron diffractometry, were performed to measure the residual stresses and compare them with the computational results. Further experiments are to be performed which require computational models to aid in the interpretation of the measurements. However, non-trivial technical issues have to be solved first.

In this thesis, the impact of viscous stress relaxation is further analyzed using FEM (Finite Element Method) and the implementation of a cutting procedure is developed. In addition, the results are utilized to support experimental stress measurements, material testing and component design.