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Hitzefest, strahlenresistent und industriell herstellbar – mit diesen Eigenschaften soll die sprichwörtlich „Erste Wand“ künftiger Fusionskraftwerke den extremen Bedingungen im Reaktorinneren standhalten. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickeln dafür gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie unter der Koordination des Laserfusionsunternehmens Focused Energy neue Materialien und Produktionsprozesse. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) fördert das Verbundprojekt mit rund 11 Millionen Euro.
Einen Stern auf der Erde zünden – mit Kernfusion soll das möglich werden, weshalb Fusionskraftwerke als der große Hoffnungsträger für saubere und nahezu unerschöpfliche Energieproduktion gelten. „Eine der größten technologischen Herausforderungen für zukünftige Kraftwerke ist dabei die ‚Erste Wand‘. Sie schirmt das heiße Plasma ab und muss enormen Temperaturen und Neutronenstrahlung standhalten“, erklärt Dr. Carsten Bonnekoh vom Institut für Angewandte Materialien (IAM). Im Verbundprojekt DINERWA (steht für: Demonstration der industriellen Fertigung einer neutronenresistenten Ersten-Wand mit maximierter Betriebsdauer) entwickeln die Beteiligten aus Wissenschaft und Industrie dafür Werkstoffe und Fertigungstechnologien. Außerdem wollen sie Testkomponenten praktisch fertigen und unter kraftwerksähnlichen Bedingungen untersuchen.
Werkstoffe für extreme Belastung
Im Fokus des Projekts steht vor allem die Entwicklung von widerstandsfähigen Struktur- und Funktionswerkstoffen. Diese sollen den hohen Temperaturen und Neutronenbelastungen im Reaktorinneren möglichst lange standhalten, um Kosten für die Wartung der „Ersten Wand“ und den daraus folgenden Wartungsstillstand im Kraftwerk zu minimieren. Neben neuen Legierungen auf ODS-Basis – also oxid-dispersionsverfestigten Stählen und Kupferwerkstoffen – untersuchen die Projektbeteiligten auch nanostrukturiertes Wolfram und Hochentropie-Legierungen. Ergänzend entstehen Füge- und Fertigungsverfahren, mit denen sich diese Materialien zuverlässig zu komplexen Modulen verbinden lassen. „So wollen wir eine deutlich verlängerte Lebensdauer der ‚Ersten Wand‘ erreichen, ihre industrielle Fertigung gewährleisten und einen wichtigen Schritt hin zur Wirtschaftlichkeit industrieller Fusionskraftwerke gehen“, sagt Professor Wolfgang Theobald, leitender Wissenschaftler beim Laserfusionsunternehmen Focused Energy und Projektleiter von DINERWA.
Wissenschaftlich begleitet wird diese Werkstoffentwicklung am KIT. Die Forschenden am IAM entwickeln und charakterisieren die neuen ODS-Stähle und -Kupferlegierungen, Partner übertragen die Laborergebnisse dann in größere Produktionschargen und fertigen daraus Testkomponenten. Diese werden anschließend am Hochwärmeflussteststand HELOKA (Helium-Kreislauf Karlsruhe) am KIT unter Bedingungen geprüft, wie sie auch in einem Fusionskraftwerk herrschen würden. „Wir wollen zeigen, dass sich die Materialien nicht nur im Labor bewähren, sondern auch unter realen Belastungen stabil bleiben“, so Bonnekoh, der die Arbeiten am KIT leitet. „Damit schaffen wir die Grundlage, um die heute noch experimentellen Materialien in künftigen Kraftwerkskomponenten tatsächlich einsetzen zu können.“
Über DINERWA
Das BMFTR fördert das Verbundprojekt innerhalb des Förderprogramms „Basistechnologien für die Fusion – auf dem Weg zu einem Fusionskraftwerk“ mit rund 11 Millionen Euro. DINERWA steht beispielhaft für die enge Zusammenarbeit von Forschungseinrichtungen und der Industrie in der Fusionsforschung und bildet die Basis für zukünftige Demonstrationsanlagen. Beteiligt sind neben dem KIT und dem koordinierenden Laserfusionsunternehmens Focused Energy außerdem als industrielle Partner die CEP Freiberg, die pulvermetallurgische Kupfer-Hochtemperaturwerkstoffe herstellt (ODS-Kupfer). Außerdem die Hermle Maschinenbau GmbH in Ottobrunn, die sich auf Additive Fertigung mittels Metall-Pulver-Auftrag spezialisiert (MPA-Verfahren) sowie die Zoz GmbH, die pulvermetallurgische Stähle herstellt. Auf Forschungsseite wirkt das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung an der Untersuchung der Strahlungshärte von Materialien mittels Ionenstrahlung mit. Assoziierter Partner ist das Studienzentrum für Kernenergie im belgischen Mol.
Im Dialog mit der Gesellschaft entwickelt das KIT Lösungen für große Herausforderungen – von Klimawandel, Energiewende und nachhaltigem Umgang mit natürlichen Ressourcen bis hin zu Künstlicher Intelligenz, technologischer Souveränität und demografischem Wandel. Als Die Universität in der Helmholtz-Gemeinschaft vereint das KIT wissenschaftliche Exzellenz vom Erkenntnisgewinn bis zur Anwendungsorientierung unter einem Dach – und ist damit in einer einzigartigen Position, diese Transformation voranzutreiben. Damit bietet das KIT als Exzellenzuniversität seinen mehr als 10 000 Mitarbeitenden sowie seinen 22 800 Studierenden herausragende Möglichkeiten, eine nachhaltige und resiliente Zukunft zu gestalten. KIT – Science for Impact.
Dr. Martin Heidelberger, Pressereferent, Tel.: +49 721 608-41169, E-Mail: martin.heidelberger@kit.edu
https://www.fusion.kit.edu weitere Informationen
https://www.energie.kit.edu Details zum KIT-Zentrum Energie
Criteria of this press release:
Journalists
Electrical engineering, Energy
transregional, national
Research projects
German
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