Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7120
Topology of Compressed Pebble Beds Determined by X-Ray
Tomography
J. Reimann, R. A.
Pieritz, M. di Michiel, C. Ferrero
Abstract
In currently developed
ceramic breeder blankets for future nuclear fusion reactors, both the ceramic
breeder and beryllium are in form of pebbles. The thermal-mechanical behaviour
of pebble beds strongly depends on the arrangement of the pebbles in the bed, their
contacts with other pebbles and with walls and the related contact surfaces.
The quantitative assessment of contact areas is of special importance for
beryllium pebble beds because the thermal conductivity is ruled by this
quantity.
Results from experiments
are reported where, first, pebble beds consisting of 3.5mm aluminium spheres,
(simulating the 1mm beryllium pebbles) were uniaxially compressed in the
Forschungszentrum Karlsruhe at different pressure levels. Then, detailed
three-dimensional microtomography experiments were performed at the European
Synchrotron Radiation Facility in Grenoble. Three-dimensional views of the
pebble arrangements and void fraction distributions were calculated. By further
post-processing the data, the number of contacts between the particles, the
corresponding contact areas and the angular dependence of these contacts were
determined.
It has been shown
that in uniaxial compression tests the poloidal distribution of contact
surfaces is non-homogeneous. This fact should be considered when using these
tests as standard tests for the generation of thermal-mechanical pebble bed
data.
Bestimmung der
Topologie von komprimierten Schüttbetten durch Röntgenstrahlen-Tomographie
Zusammenfassung
In derzeit entwickelten
keramischen Brutblankets für Kernfusions-Reaktoren werden sowohl für das
keramische Brutmaterial als auch für Beryllium granulare Materialien (Pebbles)
verwendet. Das thermomechanische Verhalten dieser Schüttbetten hängt wesentlich
von der Anordnung der Pebbles im Schüttbett ab, ihren Kontakten mit anderen
Pebbles und Wänden und den dazugehörigen Kontaktflächen. Die Kenntnis der
Kontaktflächen ist von besonderer Bedeutung für Beryllium-Schüttbetten, da hier
die thermische Wärmeleitfähigkeit sensitiv von den Kontaktflächen abhängt.
Es werden
experimentelle Ergebnisse vorgestellt, wobei anstelle der 1mm Beryllium-Pebbles
Schüttbetten bestehend aus 3,5mm Aluminium-Kugeln verwendet wurden. Die
Schüttbetten wurden zunächst im Forschungszentrum Karlsruhe in uniaxialen
Kompressionsversuchen mit unterschiedlichen Enddrücken komprimiert.
Anschließend wurden in der European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble,
detaillierte dreidimensionale mikro-tomographische Untersuchungen durchgeführt.
Er wurden dreidimensionale Ansichten der Pebble-Anordnungen im Schüttbett sowie
radiale und axiale Porositätsverteilungen berechnet. Durch weitere
Datenverarbeitung wurden die Kontaktzahlen der Pebbles, die dazugehörigen
Kontaktflächen und die Winkelabhängigkeit der Kontaktstellen bestimmt.
Es zeigte sich,
dass in Uniaxialen Kompressions-Versuchen die poloidale Verteilung der
Kontaktflächen nicht homogen ist. Diese Tatsache sollte bedacht werden bei der
Verwendung dieser Versuche zur Gewinnung thermomechanischer Schüttbett-Daten.
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