Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAMDas Fraunhofer IFAM erforscht in dem neuen Projekt „HELENA“ strahlungs- und hochtemperaturbeständige Werkstoffe zur Anwendung in Fusionsreaktoren. Um den sicheren Betrieb zukünftiger Fusionskraftwerke sowie von Kernkraftwerken der Generation IV zu gewährleisten, müssen die verwendeten Werkstoffe an die Bedingungen eines Reaktors angepasst sein. Dazu eignen sich refraktäre Hoch-Entropie-Legierungen (RHEA), die sich durch ihre hohen Einsatztemperaturen und unvergleichbaren Kombinationen von Eigenschaften auszeichnen.
Fusionskraftwerke stellen eine große Hoffnung in Fragen der Energieversorgung dar. Während der Kernfusion werden leichte Atomkerne (z. B. aus den beiden Wasserstoff-Isotopen Deuterium und Tritium) verschmolzen, wobei große Mengen Energie freigesetzt werden. Dieser Prozess findet unter extremen Bedingungen statt. Werkstoffe, die in der „ersten Wand“ eines Fusionsreaktors verbaut sind, stehen in direktem Kontakt mit dem extrem heißen Plasma und sind dauerhaftem Neutronenbeschuss ausgesetzt. Auch die dahinter liegenden Bereiche des Vakuumbehälters sind hohen Temperaturen und Neutronenbestrahlung ausgesetzt. Die bisher eingesetzten Werkstoffe (Wolfram sowie Stahl-Legierungen) sollen durch die in dem Projekt „HELENA“ entwickelten refraktären Hoch-Entropie-Legierungen im Hinblick auf ihre Strahlungsbeständigkeit verbessert werden.
Refraktärmetalle (insbesondere Wolfram, Tantal, Niob, Molybdän) zeichnen sich durch ihren hohen Schmelzpunkt aus, der i. d. R. höher als 2000 °C liegt. Neben der daraus resultierenden Temperaturbeständigkeit verfügen sie über ein gutes Eigenschaftsprofil für die Anwendung in Fusionsreaktoren. Das wünschenswerte Temperaturverhalten der Refraktärmetalle soll mit der Beständigkeit gegenüber Neutronenbestrahlung kombiniert werden, das von Materialien bekannt ist, die in Kernreaktoren eingesetzt werden (z. B. Zirkonium und Zirkalloy). Die zu entwickelnde Hoch-Entropie-Legierung beinhaltet mindestens fünf Elemente, deren Eigenschaften sich ergänzen und verstärken. Als Projektpartnerin stellt die Technische Universität Dresden, Professur für Pulvermetallurgie ihre Erfahrungen zur Verarbeitung von Refraktärmetallen zur Verfügung.
Neben dem Legierungsdesign wird in dem Projekt „HELENA“ auch die Strahlungsbeständigkeit der neuen Materialien untersucht. Die Eigenschaften der hochenergetischen und kurzlebigen Neutronen werden dabei durch Ionen modelliert. Diese führen zu einer ähnlichen Schädigung des Materials, wie es auch in Kern- und Fusionsreaktoren zu erwarten ist. Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf bringt in diesem Projekt seine Expertise in der Erforschung strahlungsbeständiger Werkstoffe ein.