Smarte Materialien für künftige Fusionsreaktoren

Test von smarten Wolframlegierungen

Die Innenwand zukünftiger Fusionsreaktoren ist extremen Wärmeflussdichten ausgesetzt. Zudem können intensive Teilchen- und Neutronenflüsse zu Materialschäden führen. Um diesen Anforderungen zu begegnen, setzen Wissenschaftler auf neue Materialkonzepte – faserverstärkte Verbundwerkstoffe und smarte Legierungen.  

Die Wärmeflussdichten, die an der Innenwand zukünftiger Fusionsreaktoren wirken, sind vergleichbar mit denen auf der Außenwand von Raumschiffen beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre. Hinzu kommen intensive Teilchen- und Neutronenflüsse, die zu Materialerosion und -defekten führen. Wolfram gilt heute u. a. wegen seines hohen Schmelzpunkts als bevorzugtes Wandmaterial. Allerdings bereiten seine Sprödigkeit und die hohe Oxidationsrate im Fall eines außerordentlichen Lufteintritts bei hohen Temperaturen Probleme.

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich entwickeln daher gemeinsam mit Partnern neue, smarte Materialkonzepte auf Wolframbasis. Die faserverstärkten Verbundwerkstoffe vermindern die Ausbreitung von schädlichen Rissen. Dazu kommen smarte Legierungen aus Wolfram, Chrom und dem Leichtmetall Yttrium, die gegenüber reinem Wolfram eine etwa 100.000-fach reduzierte Oxidationsrate zeigen.

Härtetests für smarte Materialien

Zunächst wurden die Materialien entwickelt, charakterisiert und Materialproben hergestellt. Jetzt ist die Forschung an smarten Wolframmaterialien in eine zweite, entscheidende Phase getreten: die Qualifizierung der Materialien unter fusionstypischen Belastungsszenarien. Sie werden im Forschungszentrum Jülich an speziellen Testanlagen durchgeführt: Elektronenstrahlanlagen für Wärmelasttests sowie lineare Plasmaanlagen und Lasersysteme für kombinierte Teilchen- und Wärmebelastung.

Erste Messungen an Materialproben in der linearen Plasmaanlage PSI-2 mit dünnen Schichten aus W-Cr-Y haben gezeigt, dass sich die smarte Wolfram-Legierung ähnlich widerstandsfähig gegenüber Materialerosion verhält wie Referenzproben aus reinem Wolfram. Auch die anfängliche Reduktion der Oxidationsfähigkeit bleibt nach der Plasmabelastung erhalten. Damit ist die grundsätzliche Eignung der Smart-Legierung für den Einsatz in Fusionsanlagen gezeigt.

Parallel dazu haben Forschungspartner im belgischen Institut SCK-CEN in Mol begonnen, smarte Wolfram-Materialien Bestrahlungstests mit Neutronen zu unterziehen. In etwa eineinhalb Jahren können an den derart erzeugten, vorgeschädigten Materialproben dann neue Belastungstests im Forschungszentrum Jülich durchgeführt werden.

Bild: Test von smarten Wolframlegierungen in der linearen Plasmaanlage PSI-2 am Forschungszentrum Jülich. 
© Forschungszentrum Jülich / Tobias Wegener