Neuer Forschungsverbund: Materialien für Fusionskraftwerke testen

Am Forschungscampus Garching sollen die Materialien für künftige Fusionskraftwerke entstehen. Im Rahmen eines neuen Programms des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) bündeln mehrere Arbeitsgruppen der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München (TUM) und des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) ihre Expertise.

DSC4783 Hugenschmidt kl Christoph Hugenschmidt an der Positronenquelle des FRM II. © Wenzel Schuermann, TUM

Christoph Hugenschmidt an der Positronenquelle des FRM II. © Wenzel Schuermann, TUM

Im Inneren eines Fusionsreaktors wirken extreme Temperaturen, mechanische Spannungen und intensive Teilchenstrahlung gleichzeitig auf die Materialien. Dies verändert das Kristallgitter, erzeugt Defekte und Poren und kann Materialversagen verursachen. Betroffen sind unter anderem ferritische Stähle wie EUROFER97, Wolfram und Wolframlegierungen für die Reaktorinnenwand sowie Kupferlegierungen für Kühlkomponenten. Unter Neutronenbeschuss bildet sich im Wolfram zudem Rhenium – eine Veränderung, die die Materialeigenschaften beeinflusst.

Gruppenbild PI kl Die Projektleiter des FUMA-Projekts (v.l.): Dr. Thomas Schwarz-Selinger (IPP), Dr. Michael Hofmann (FRM II), Prof. Dr. Jeong-Ha You (IPP), Dr. Ralph Gilles (FRM II), Prof. Dr. Christoph Hugenschmidt (FRM II), Prof. Dr. Rudolf Neu (IPP), Dr. Tobias Neuwirth (FRM II). © Laura Richter, FRM II/TUM

Die Projektleiter des FUMA-Projekts (v.l.): Dr. Thomas Schwarz-Selinger (IPP), Dr. Michael Hofmann (FRM II), Prof. Dr. Jeong-Ha You (IPP), Dr. Ralph Gilles (FRM II), Prof. Dr. Christoph Hugenschmidt (FRM II), Prof. Dr. Rudolf Neu (IPP), Dr. Tobias Neuwirth (FRM II). © Laura Richter, FRM II/TUM

Hier setzt FUMA an, das „Kompetenzzentrum zur Optimierung von FUsionsMAterialien“. Beteiligt sind eine Positronen- und drei Neutronen-Arbeitsgruppen des FRM II sowie zwei IPP-Gruppen, die sich methodisch ergänzen. Eine Gruppe untersucht additiv gefertigte Bauteile und Schweißverbindungen, während eine andere Poren oder innere Spannungen unter industrienahen Bedingungen analysiert. „Mit unserer Positronenspektroskopie am FRM II wollen wir Materialschäden bereits auf atomarer Ebene verstehen. Mit den Antiteilchen der Elektronen können wir nachvollziehen, wie aus kleinsten Defekten größere Strukturen entstehen, die schließlich die Lebensdauer eines Werkstoffs bestimmen“, erklärt Projektkoordinator Prof. Christoph Hugenschmidt von der TUM. Prof. Christian Pfleiderer, Wissenschaftlicher Direktor am FRM II, ergänzt: „Die am FRM II eingesetzten Neutronenmethoden ermöglichen einzigartige Einblicke in die Struktur der Fusionsmaterialien von der atomaren bis zur Millimeter-Skala.“

Bild1 Kompetenzzentrum FUMA für Fusionsmaterialien mit Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) und Technische Universität München (TUM). © FRM II / TUM

Kompetenzzentrum FUMA für Fusionsmaterialien mit Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) und Technische Universität München (TUM). © FRM II / TUM

Hugenschmidt erläutert, warum Garching ideale Voraussetzungen für das Projekt bietet: „Das IPP bringt hier vor Ort die maximale Expertise zu Materialien und Komponenten für einen künftigen Fusionsreaktor ein.” Hinzu kommen einzigartige experimentelle Möglichkeiten: Wärmeeinträge von bis zu 20 Megawatt pro Quadratmeter sowie gezielte Materialschäden durch Neutronenbestrahlung können unter realitätsnahen Bedingungen untersucht werden.
Das langfristige Ziel ist es, die Lebensdauer von Materialien im Fusionsreaktor zuverlässig vorhersagen zu können. Die Gruppen entwickeln gemeinsam ein Messprogramm: Das IPP stellt die Forschungsprioritäten zu Fragestellungen an Materialen dar und präpariert Proben, während die Analysegruppen am FRM II mit Neutronen und Positronen ihre Instrumente weiter verbessern und die Schädigungsmechanismen untersuchen.