Hochleistungswerkstoffe für die Fusionsforschung

Die Fusionsforschung ist ein globales Großprojekt mit ambitionierten Zielen: Die kontrollierte Kernfusion soll als nahezu unerschöpfliche, sichere und klimafreundliche Energiequelle etabliert werden. Nach Jahrzehnten intensiver Grundlagenforschung rücken Demonstrationsanlagen und erste kommerzielle Konzepte zunehmend in den Fokus.

Fusion bedeutet, dass leichte Atomkerne (in der Regel Deuterium und Tritium) zu einem schwereren Kern verschmelzen, wobei viel Energie frei wird. Dabei fällt deutlich weniger radioaktiver Abfall an als bei der Kernspaltung. Weltweit treiben verschiedene Forschungseinrichtungen und zunehmend auch Unternehmen die Weiterentwicklung unterschiedlicher Fusionskonzepte voran. Technisch unterscheiden sich die Konzepte zur Kernfusion hauptsächlich dadurch, wie das Hochtemperatur-Kernfusionsplasma (>10⁸ K) eingeschlossen wird. Sie beruhen entweder auf starken Magnetfeldern (Tokamak und Stellarator) oder auf der Trägheit des implodierenden Brennstoffs (Trägheitsfusion/Laserfusion). Zu den wichtigsten internationalen Projekten zählen aktuell: ITER (EU, China, Indien, Japan, Korea, Russland, USA), NIF (USA), EAST (China) sowie JT-60SA (Japan). Auch die Bundesrepublik Deutschland verfügt mit Wendelstein 7-X über eine weltweit einzigartige Anlage, den derzeit leistungsstärksten Stellarator, und treibt den Weg zu einem Fusionskraftwerk mit einem gezielten Aktionsplan (Hightech Agenda Deutschland) ambitioniert voran.

Auf dem Weg zur Kommerzialisierung

In den letzten Jahren konnte gezeigt werden, dass sich die für einen Kraftwerksbetrieb erforderlichen Plasmazustände im Experiment grundsätzlich erreichen lassen. Damit rücken Fragen der Materialentwicklung, Systemtechnik und Skalierung zunehmend in den Mittelpunkt. Obwohl bereits wichtige Fortschritte erzielt wurden, gilt es noch bedeutende technische und wirtschaftliche Herausforderungen zu meistern, bevor eine kommerzielle Nutzung möglich ist.

• Extrem hohe Temperaturen und Neutronenflüsse: Materialien müssen vor Temperaturen von über 100 Millionen Grad geschützt werden und intensiver Neutronenstrahlung standhalten, ohne ihre mechanische Integrität zu verlieren.
• Effizientes Tritiummanagement: Da Tritium auf der Erde äußerst selten ist und nur in Spuren vorkommt, muss es vor Ort sicher und effizient erzeugt, separiert, aufbereitet und gespeichert werden. Der geschlossene Brennstoffkreislauf ist eine zentrale Voraussetzung für wirtschaftliche Fusionskraftwerke.
• Zuverlässige Komponenten: Langlebige, strahlungsresistente Werkstoffe für Targets, Wände, Membranen, elektrische und optische Systeme sind essenziell, um hohe Verfügbarkeiten und planbare Wartungszyklen zu erreichen.
• Vermeidung neuer Abhängigkeiten: Kritische Rohstoffe müssen verantwortungsvoll eingesetzt werden. Der Aufbau verlässlicher Lieferketten und langjähriger Partnerschaften ist wichtig, um neue geopolitische Abhängigkeiten zu vermeiden.
• Umgang mit Radioaktivität: Es gelten strenge regulatorische Anforderungen für die anfallenden schwach- und mittelradioaktiven Reststoffe. Hier sind robuste Konzepte für Sicherheit, Entsorgung und Wiederverwertung gefragt.

Technologieplattformen als Enabler

Das Fraunhofer IKTS kann mit seinen verschiedenen Technologieplattformen zur Lösung dieser Herausforderungen beitragen. In verschiedenen Entwicklungsprojekten konnte das IKTS bereits aufzeigen, dass keramische Werkstoffe und Technologien insbesondere für eine kommerzielle Umsetzung ein großes Potenzial besitzen. Das Institut bietet sich als Partner für spezifische werkstoffseitige und technologische Fragestellungen an, um eine beschleunigte Umsetzung zu ermöglichen und zukünftige Lieferketten aufzubauen.

1. Nanoporöse keramische Membranen für den Brennstoffkreislauf und Hohlkugeln zur Tritiumspeicherung

Das IKTS entwickelt keramische Membranen auf Basis amorpher Oxide, Kohlenstoff und Zeolithe, die bis zum industriellen Maßstab skaliert werden können. In einem vielversprechenden Projekt (FuelMem, BMFTR) entwickelt und quantifiziert das Fraunhofer IKTS diese Membranen für die effiziente Trennung und Anreicherung von Gasen – ein entscheidender Schritt zur Tritiumgewinnung und -rückführung in Fusionsreaktoren und damit für einen geschlossenen Brennstoffkreislauf. Ein weiteres interessantes Entwicklungsfeld sind nanoporöse Hohlkugeln (nanoporous hollow spheres) aus verschiedenen Materialien wie Zeolith, Kohlenstoff oder Glas, die zur Speicherung von Wasserstoff und Tritium sowie als Targetmaterial eingesetzt werden können. Eigene Anlagen für Synthese, Charakterisierung und Langzeittests ermöglichen es, innovative Lösungen direkt in die Anwendung zu bringen. Anwendungstests können in enger Kooperation mit Partnern wie dem KIT durchgeführt werden.

2. Enhanced First Wall Materials und Transparentkeramiken

Die erste Wand (»First Wall«) eines Fusionsreaktors ist extremen thermischen und mechanischen Belastungen sowie intensiver Strahlung ausgesetzt. Das IKTS entwickelt hierfür keramische Werkstoffe wie monolithische SiC-Keramiken und Faserverbundwerkstoffe (CMC) sowie Metall-Keramik-Komposite (Cermets), insbesondere auf Basis von Wolframcarbid (WC). Diese Materialien bieten eine gute Abschirmwirkung gegenüber energiereicher Strahlung. Damit könnten sie sich für verschiedene Tokamak- und Stellerator-Komponenten eignen insbesondere im Bereich des Divertors.

Für optische Diagnostiksysteme in Fusionsanlagen entwickelt das IKTS transparente Keramiken (z. B. Spinell, MgO, Y₂O₃), die hohe mechanische, thermische und chemische Stabilität bieten. Sie sind für den Einsatz als Linsen und Schutzfenster bei Temperaturen über 1500 °C geeignet und können bis in den langwelligen Infrarotbereich eingesetzt werden. Das IKTS verfügt dafür über eine eigene Fertigungslinie

3. Stabile Li-reiche Keramiken für die Tritiumbrüterzone

Für die Tritiumproduktion in der Brutzone werden stabile, maßgeschneiderte Lithiumkeramiken benötigt. Das IKTS bringt hier seine umfangreichen Erfahrungen in der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von Li-haltigen Keramiken (z. B. LiAlO₂ und LATP) und Keramikkugeln für verschiedene Anwendungen ein. Dies wurde bereits erfolgreich für LiAlO₂-Keramiken demonstriert, die unter den harschen Bedingungen von Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen stabil sind. Die Materialien zeichnen sich durch hohe thermische Stabilität (800 °C in reduzierenden Gasgemischen), einstellbare spezifische Oberflächen und Skalierbarkeit der Produktion (bis 25 kg pro Charge) aus. Diese Skalierbarkeit ist entscheidend, um künftig den kontinuierlichen Materialbedarf von Fusionskraftwerken zu decken und belastbare, zuverlässige Lieferketten aufzubauen. Die Übertragbarkeit der Prozesse auf Keramiken mit höherem Lithiumgehalt sowie die Anpassung an die spezifischen Anforderungen der Fusionsforschung sind gegeben.

Das IKTS verfügt über eine breite Infrastruktur, darunter Mahlaggregate, Kalzinieröfen, Wirbelschichtgranulationsanlagen, vielfältige Formgebungstechnologien sowie Langzeittestanlagen mit verschiedenen Gasen. Die umfassende Analytik ermöglicht eine gezielte Entwicklung und Qualitätskontrolle der Materialien.

4. Infrastruktur und Expertise im Umgang mit radioaktiven Materialien

Die Arbeit mit radioaktiven Stoffen wie Tritium und aktivierten Materialien erfordert spezielle Genehmigungen, Labore und qualifiziertes Personal. Das IKTS verfügt über Einrichtungen für den Umgang, die Analyse, das Engineering und das Recycling von Radionukliden. Dazu gehören Labore für die Analyse von α-, β- und γ-Emittern, Anlagen zur Anreicherung und Separation radioaktiver Isotope (z. B. Tritium, C-14) sowie Dienstleistungen zur Konditionierung und zum Recycling radioaktiver Materialien.

Das Institut besitzt eine Genehmigung zum Umgang mit radioaktiven Stoffen ohne Beschränkung hinsichtlich der Art der Radionuklide. Ein voll ausgestattetes Nuklidlabor ermöglicht chemisch-technologische Arbeiten, Schadensanalytik und die sichere Abfallentsorgung im Rahmen von Versuchsbetrieb und Analytik

5. Sensorik und zerstörungsfreie Prüftechnik für den Einsatz in Fusionsreaktoren

Die extremen Einsatzbedingungen in den inneren Bereichen eines Fusionsreaktors stellen besondere Anforderungen an elektrische und mikroelektronische Komponenten beispielsweise in der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik. Keramische Packagingtechnologien bieten hier eine vielversprechende Lösung für Komponenten unter ionisierender Strahlung, starken Temperaturschwankungen oder Super Heat Steam. Das IKTS verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung und Pilotfertigung von Sensorik und Mikroelektronikkomponenten auf Basis der HTCC- und LTCC-Technologieplattformen. Diese spielen schon heute in harschen Umgebungen wie Kernreaktoren, Gasturbinen oder Aerospace-Anwendungen ihre materialspezifischen Vorteile aus. Der Einsatz von keramischen Mikrosystemen verspricht ein großes Potenzial in Forschungsreaktoren sowie späteren kommerziellen Systemen als Magnetfeldsensoren, Fusionsdetektoren oder Hochfrequenzanwendungen in der Diagnostik.

Das IKTS arbeitet außerdem an robusten elektrisch funktionellen Werkstoffen wie Titanoxiden und Spinellen. Diese können in der Kernfusionstechnik für elektrische Regelung und Energieübertragung eingesetzt werden, etwa als Varistoren zur Absicherung von Schaltvorgängen und zur Prozesssteuerung.

Mit modernen zerstörungsfreien Prüfverfahren (NDT-Technologien) wird die Qualität und Zuverlässigkeit der Komponenten für das Gesamtsystem Fusionsreaktor sichergestellt. Das Fraunhofer IKTS verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in der zerstörungsfreien Prüfung kerntechnischer Systeme und Anlagen mittels Ultraschall und akustischer Emission. Insbesondere in der Kommerzialisierung von Fusionskraftwerken der nächsten Generation tragen NDT-Systeme zur Gewährleistung der Gesamtsicherheit bei.

Fraunhofer IKTS als kompetenter Forschungs- und Entwicklungsdienstleister

Mit diesen Kompetenzen, der modernen Infrastruktur und den zahlreichen Referenzprojekten leistet das Fraunhofer IKTS einen wichtigen Beitrag zur Lösung von Herausforderungen der Fusionsforschung – von der Materialentwicklung über das Tritiummanagement bis hin zur sicheren Handhabung radioaktiver Stoffe und der Entwicklung optischer und elektronischer Systeme für extreme Bedingungen. Damit kann das Fraunhofer IKTS als Forschungs- und Entwicklungsdienstleister auf dem Weg von der experimentellen Fusionsanlage hin zu kommerziellen Kraftwerkskonzepten unterstützen.