Kernfusion und Fraunhofer IFAM – Forschung an Schlüsseltechnologien für ein Fusionskraftwerk

Was ist Kernfusion?

Bei der Kernfusion verschmelzen Atomkerne miteinander und setzen dabei eine enorme Menge Energie frei – derselbe Prozess, der auch in der Sonne stattfindet und unsere Erde mit Licht und Wärme versorgt.

Die technische Nutzung der Kernfusion auf der Erde gilt als eine vielversprechende Option für eine klimaneutrale und langfristig verfügbare Energieversorgung. Sie kann dazu beitragen, den weltweit steigenden Strombedarf klimaneutral und bezahlbar zu decken.

Die Bundesregierung hat daher das Ziel formuliert, das erste Fusionskraftwerk in Deutschland zu realisieren. Grundlage hierfür sind der Aktionsplan »Deutschland auf dem Weg zum Fusionskraftwerk« und die High-Tech-Agenda der Bundesregierung. 

Schlüsseltechnologien für Fusionskraftwerke

Wenn es gelingt, die technologischen Herausforderungen beim Bau eines Fusionskraftwerkes zu bewältigen, kann Fusionsenergie künftig ein zentraler Bestandteil der nachhaltigen Energieversorgung werden.

Eine Schlüsselrolle spielen dabei insbesondere:

• innovative Materialien
• skalierbare Fertigungsverfahren sowie
• zuverlässige Inspektions- und Qualitätstechnologien

Das Fraunhofer IFAM entwickelt im Geschäftsfeld Energie maßgebliche Lösungen für diese Schlüsseltechnologien. Insbesondere die Bereiche Oberflächentechnik, metallische Werkstoffe sowie Formgebung und Komponentenfertigung leisten einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung der notwendigen Technologien.

Materialien für die »First Wall« eines Fusionsreaktors

Die sogenannte »First Wall« bildet die innere Auskleidung eines Fusionsreaktors. Sie ist direkt dem heißen Plasma ausgesetzt und muss extremen Wärme- und Teilchenlasten sowie der Neutronenstrahlung zuverlässig standhalten.

Das Fraunhofer IFAM arbeitet deshalb an:

• der Materialentwicklung für plasmaexponierte Komponenten
• Fertigungsprozessen für Hochleistungswerkstoffe
• Reparatur- und Inspektionskonzepten

Am Teilinstitut in Dresden sind dafür Kompetenzen in der Pulvermetallurgie sowie in pulverbasierten additiven Fertigungsverfahren gebündelt. Diese ermöglichen unter anderem die prozesssichere Verarbeitung anspruchsvoller Werkstoffe wie Wolfram oder refraktärer Hochentropielegierungen die für Fusionsreaktoren besonders geeignet sind. Auch Gradientenwerkstoffe zur sicheren und dauerhaften Verbindung von erster Wand und darunterliegender Kühl- und Trägerstrukturen sind eine der pulvermetallurgischen Kernkompetenzen und bilden einen ersten Schritt zu »First Wall Components«. 

Am Fraunhofer IFAM in Bremen liegen besondere Kompetenzen im Bereich Inspektion und Qualitätssicherung von Komponenten. Dazu gehören akkreditierte Prüflabore und zerstörungsfreie Prüfverfahren wie Ultraschall, Thermographie und Computertomographie zur schnellen Detektion von Rissen, Delaminationen und Prozessfehlern. Ebenso kann die Materialermüdung simuliert werden, um die Lebensdauer von Werkstoffen zuverlässig zu prognostizieren.

Diese Technologien sind entscheidend für die Sicherheit und Lebensdauer zukünftiger Fusionsreaktoren.

Technologien für den Brennstoffkreislauf (Fuel Cycle)

Deuterium und Tritium sind Wasserstoffisotope und zentrale Ausgangsstoffe in Wasserstoff-Kernfusionskraftwerken. Für einen stabilen und effizienten Fusionsprozess müssen beide Isotope in ausreichender Menge und hoher Reinheit bereitgestellt werden. Bei der Fusionsreaktion entstehen Helium und ein Neutron. Daraus ergibt sich sowohl im Fuel Cycle als auch beim externen Tritium-Breeding ein hoher Bedarf an leistungsfähigen Technologien zur Isotopenseparation und zur Gasaufreinigung.

Eine besonders effiziente Lösung zur Isotopenseparation und Gasreinigung bietet der Einsatz intermetallischer Legierungen. Diese ermöglichen es, gezielt einzelne Isotope aus Gasgemischen zu absorbieren und kontrolliert wieder freizusetzen. Speziell entwickelte Materialien, wie Metallhydrid-Komposite, erlauben eine selektive (De-)Hydrierung von Wasserstoff, Deuterium und Tritium. Gleichzeitig ermöglichen sie eine sichere Speicherung von Tritium in Form von Tritiden nahezu drucklos.

Das Fraunhofer IFAM in Dresden forscht seit 2008 an der Entwicklung und Optimierung entsprechender Materialien für Gasphasenprozesse sowie an der gezielten Bindung von Wasserstoffisotopen in Hydridphasen. Das Leistungsspektrum reicht von der Legierungsauswahl über Simulation und Materialoptimierung bis hin zur Herstellung von Prototypen. Eine spezialisierte Laborinfrastruktur für Experimente mit Wasserstoff und Deuterium ist vorhanden. Für Arbeiten mit Tritium besteht ein etabliertes Partnernetzwerk.

Projekttitel

Inertial Fusion Energy (IFE) Targetry HUB für die DT-Trägheitsfusion

Projektpartner:

• Focused Energy GmbH (Koordination)
• Fraunhofer-Gesellschaft mit den Instituten IAF (Koordination), ILT, IFAM und IIS – Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT
• Karlsruher Institut für Technologie – Tritium Labor Karlsruhe KIT-TLK
• Technische Universität Darmstadt mit den Instituten IKP, NMF und PtU
• KERN Microtechnik
• Diamond Materials
• Plasmatreat GmbH
• LightFab GmbH
• ModuleWorks GmbH
• Herkula Farben GmbH