4.5 Evaluierung der Messunsicherheit
Für die Beurteilung und Interpretation von Messergebnissen muss die Mes-sunsicherheit bekannt sein. Da es für den KAHTI keine Prüfvorschrift gibt, werden im Folgenden mögliche Einflüsse auf die Messungen und der Um-gang mit diesen diskutiert. Dabei wird die Methode zur Bestimmung der Messunsicherheit festgelegt. Die Überlegungen stützen sich dabei auf [81].
Für eine systematische Betrachtung aller Störgrößen werden diese zunächst inzeitabhängigundzeitunabhängigkategorisiert. Letzteres wird weiter in systematische,zufälligeundgrobeStörungen unterteilt.
Die zeitabhängigen Beiträge zur gesamten Messunsicherheit sind turgradienten sowie eine Drift in der Kraftmessung. Herrscht ein Tempera-turgradient zwischen Eindringkörper und Probe, so wirkt sich dies durch die thermische Ausdehnung auf die Wegmessung aus. In [1] wurde gezeigt, dass sich dies vermeiden lässt, indem die Versuchstemperatur vor Beginn einer Härtemessung über eine Zeit von 20 Minuten konstant gehalten wird. Da-durch ist gewährleistet, dass die gemessene Temperatur in beiden Körpern homogen vorliegt. Ein unvermeidbarer Anteil ist durch die Ungenauigkeit der Thermoelemente gegeben. In dieser Arbeit werden ThermoelementeTyp Kder Klasse 1 verwendet. Gemäß [82] beträgt deren maximale Abweichung 1 °C. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materia-lien verursachen dadurch einen maximalen Fehler in der Wegmessung, wel-cher in der Größenordnungen 10−6der Messgröße liegt. Somit kann eine Abweichung aufgrund dieser geringen Unsicherheit vernachlässigt werden (vgl. [2]).
Ein weiterer zeitabhängiger Einfluss ist die Drift der Kraftmessung. Die Ur-sache sowie eine mögliche Abhilfe ist in Kapitel 6.3 gezeigt. Zeitabhängige Größen haben somit einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Ergebnisse oder können durch geeignete Versuchsführung ausgeschlossen werden. Da-her werden diese nicht weiter betrachtet.
4 Methoden
Die Kategorie derzeitunabhängigenEinflüsse ist dagegen eine zentrale Fra-gestellung dieser Arbeit. In Kapitel 6.5 ist gezeigt, wie sich Messungen mit grobenFehlern erkennen lassen. Die Ursachen hierfür können im Rahmen dieser Arbeit nicht behoben werden, daher sind solche Messungen von der Interpretation mechanischer Eigenschaften auszuschließen. Die systemati-schenAbweichungen, sowie Möglichkeiten für deren Korrektur sind in Ka-pitel 6.2 und 6.3 gezeigt. Lediglich diezufälligenStörungen können nicht vermieden werden. Deren Abschätzung ist sowohl durch eine statistische, als auch eine methodische Betrachtung möglich.
Die methodische Unsicherheit kann auch als Fortpflanzung der maximalen Schwankungen aller verwendeten Messgrößen betrachtet werden. Im Fo-kus stehen dabei die Kraft und Eindringtiefe. Letztere wird selbst aus einer Korrelation von Bildern und Zeitstempeln berechnet. So ergeben sich allge-meingültige Werte für den KAHTI.
In Kapitel 6.3 und 6.7 zeigt sich jedoch, dass reale Schwingungen in der Kraft- und besonders in der Wegmessung die theoretische Unschärfe über-lagern. Da es nicht möglich ist, diese Schwingungen konstant zu halten, ist eine allgemeingültige Messunsicherheit nicht repräsentativ und wird in die-ser Arbeit nicht verwendet.
Ein bedeutender Vorteil des KAHTI ist die hohe Anzahl an möglichen Mes-sungen in dem zur Verfügung stehenden Probenvolumen. Damit ist es mög-lich, die Messunsicherheit jeder Versuchsreihe statistisch zu betrachten. Für eine möglichst gute Statistik in dieser Arbeit umfasst jede Versuchsreihe eine Anzahlnvon 2 bis 7 verwertbaren Einzelmessungen.
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4.5 Evaluierung der Messunsicherheit
Das Messergebnisxwird folgendermaßen angegeben:
x=x¯±s∗¯ t. (4.3)
Der Mittelwert ¯xergibt sich aus
¯ x=1
n
n i=1
∑
xi. (4.4)
Die verwendete Messunsicherheit soll sowohl die Größe des Messwertes, als auch die Anzahl aller Einzelmessungen mit deren Streuung berücksich-tigen. Mit der Annahme, dass alle Messergebnisse binominalverteilt um ei-nen Mittelwert sind, eignet sich das Vertrauensintervall von 95 % für eine aussagekräftige Angabe. Aus dieser kann direkt abgeleitet werden, dass bei unendlich vielen Messungen mindestens 95 % der Ergebnisse in dem ange-gebenen Intervall liegen. Dieses ergibt sich aus der Standardabweichung
¯ s=
s 1
n(n−1)
n k=1
∑
(xk−x)¯ 2 (4.5)
und dem zugehörigen t-Wert derStudent-t-Verteilungin Tabelle A.2 mitm= n−1 Freiheitsgraden.
5 Materialien
Für einen sicheren und effizienten Betrieb der zukünftigen Fusionsreak-toren werden Materialien benötigt, welche den hohen Temperaturen und der Bestrahlung mit Neutronen standhalten (vgl. Kapitel 2.3). Neben den plasmazugewandten Materialien der ersten Wand, wie z.B. Wolframlegie-rungen, soll Stahl als Strukturmaterial zum Einsatz kommen. Zusätzlich zur benötigten mechanischen Stabilität, soll radioaktiver Abfall mit hohen Halbwertszeiten vermieden werden. Daher sind Legierungselemente uner-wünscht, welche unter Neutronenbestrahlung radioaktive Isotope mit hohen Halbwertszeiten bilden. Dies schließt z.B Nickel, Niob und Molybdän aus.
Solche Elemente werden auf die technisch möglichen Grenzen limitiert. In Abbildung 5.1 ist die verkürzte Abklingzeit des EUROFER97gegenüber dem Reaktorstahl SS316 gezeigt. Der SS316 wird derzeit als nuklear li-zenzierter Stahl im TestreaktorITERverbaut, soll in künftigen Reaktoren jedoch durch sogenanntereduziert aktivierbareMaterialien ersetzt werden.
In herkömmlichen Stahlsorten für Hochtemperaturanwendungen werden die zuvor genannten Elemente verwendet, da diese den mechanischen Ei-genschaften eine hohe Wärmebeständigkeit geben. Um deren Abwesenheit zu kompensieren, wird in den fusionsrelevanten Strukturmaterialien ein fer-ritisch/martensitisches Gefüge eingestellt.
In den vergangenen 50 Jahren wurden weltweit unterschiedlichereduziert aktivierbare ferritisch/martensitische (RAFM) Stähle entwickelt, welche die zuvor genannten Anforderungen erfüllen. Die favorisierten Stähle mit geeigneten physikalischen Eigenschaften unterscheiden sich lediglich ge-ringfügig in ihrer Zusammensetzung und ihrem Gefüge. Der Stahl
EURO-5 Materialien
Abbildung 5.1: Darstellung von Daten aus [83] der berechneten Abklingzeit vonEUROFER97 und des ReaktorstahlsSS316nach einer Aktivierung durch den zukünftigen ReaktorDEMOmit 1MWam2 .
FER97 sowie dessen Varianten sind für den zukünftigen Fusionsreaktor DEMOvorgesehen und zentraler Gegenstand dieser Arbeit. Im Folgenden werden die in dieser Arbeit untersuchten Varianten aufgeführt und beschrie-ben.