Wissenschaftliche Berichte

Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7241

Evaluation of ITER Design Criteria applied to RAFM Steels

Rudolf Sunyk, Jarir Aktaa

Abstract
In the first line, the aim of the activity represented in this work is an application of two advanced material models to a simulation of the test blanket module (TBM) undergoing cyclic thermal and mechanical loadings. The first model is thereby the ABAQUS standard combined non-linear isotropic-kinematic hardening model whereas the second is a viscoplastic material model considering material damage and being newly implemented as an ABAQUS user material (UMAT).

Material parameters for both models are adjusted using results of isothermal tensile and cyclic experiments performed at Forschungszentrum Karlsruhe GmbH (FZK) on EUROFER 97. As is generally known, EUROFER 97 is an important blanket material for the future fusion reactor and belongs to reduced activation ferriticmartensitic steels (RAFM), which soften under cyclic loading in contrast to austenitic steels exhibiting cyclic hardening.

Moreover, the work is focused on the application of some existing design rules considered for austenitic steels and further evaluation of the rules by comparison of their predictions with results of cyclic simulations using the advanced material models mentioned above. Thereby, some important allowable stress limits are calculated under consideration of the cyclic softening of RAFM.

Finally, new considerations concerning a mock-up experiment allowing to verify the advanced material models used in the present work and to assess a capability of the actual TBM design are represented here.

key words: blanket; test blanket module; reduced activation; ferritic-martensitic steel; EUROFER 97; structural design code; cyclic softening; stress categorization; ratcheting; high-temperature design rules; fatigue; first wall materials

Überprüfung der Rechmässigkeit der Verwendung von ITER-Designregeln bei Auslegung von Bauteilen aus RAFM-Stählen.

Zusammenfassung
Die in dieser Arbeit präentierte Aktivität ist ausgerichtet auf die Anwendung von zwei recht komplizierten Materialmodellen an die Simulation vom Testblanketmodul unter der Einwirkung von thermischen und mechanischen Lasten. Das erste Modell ist dabei ein standardmässiges kombiniertes nichtlineares isotropisch-kinematisches Verfestigungsmodell aus der ABAQUS-Bibliothek, während das Andere ein gekoppeltes viskoplastisches Deformation/Schädigungsmodell ist, das als ein anwenderdefiniertesMaterial (UMAT) in ABAQUS implementiert wurde.

Die Materialparameter für beideModelle wurden aufgrund von Experimentaldaten aus den isothermischen zyklischen Zugversuchen angefittet, die bei verschiedenen Temperaturen am Forschungszentrum Karlsruhe GmbH (FZK) an EUROFER 97 durchgeführt wurden. Es ist allgemein bekannt, dass der Stahl EUROFER 97 ein wichtiges Material für die erste Wand der zukünftigen Fusionsreaktoren konzipiert wurde. Dieses Material gehört zu den so genannten niedrigaktivierenden ferritisch-martensitischen Stählen (RAFM), die im Gegensatz zu den austenitischen Stählen eine zyklische Entfestigung aufweisen.

Weiterhin ist diese Arbeit schwerpunktmässig auf den Einsatz von einigen existierenden Designregeln fokussiert, die ursprünglich für austenitische Stähle formuliert wurden. Die ausgewählten Regeln sollen dabei evaluiert werden, indem ihre Aussagen mit den Ergebnissen der zyklischen Simulation unter Verwendung der o.g. Materialmodelle verglichen werden. Nebenbei sind auch einige wichtige zulässige Spannungsintensitäten unter Berücksichtigung der zyklischen Entfestigung von RAFM hergeleitet worden.

Ein Mock-Up-Experiment soll für die Zwecke der Verifizierung der verwendeten Materialmodelle sowie der Bewertung der Tauglichkeit der vorgeschlagenen TBM-Designs dienen. Neue Überlegungen bezüglich eines solchen Mock-Up-Experiments sind auch in dieser Arbeit dargestellt.