Innovative Barriereschichten für Kernfusions-Reaktoren
Hocheffektive Diffusionsbarrieren sollen die Tritiumverluste stoppen.
Die kontrollierte Fusion von Wasserstoffisotopen gilt als Hoffnungsträger für eine saubere und sichere Energiezukunft. Tritium spielt dabei eine zentrale Rolle als Brennstoff. Sein ungewollter Austritt aus Reaktorwänden oder Rohrleitungen wäre nicht nur teuer, sondern auch sicherheitsrelevant. Die Herausforderung: Tritium-Atome sind so klein, dass sie sich selbst durch Metallstrukturen hindurchbewegen können – ein Phänomen, das als Permeation bezeichnet wird. Um den Tritiumverlust in künftigen Fusionskraftwerken zu verhindern, entwickeln das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik und das MPI für Plasmaphysik neuartige Schutzschichten. Das gemeinsame Forschungsprojekt „TritiumStopp“ zielt auf hocheffektive Diffusionsbarrieren, die auch unter extremen Bedingungen standhalten.
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Das Projekt setzt auf dünne Barriereschichten, die Tritium am Durchdringen hindern. Anders als bisherige Forschungsansätze greift das Fraunhofer-IWS auf Schichttechnologien zurück, die sich bereits in industriellen Hochleistungsanwendungen bewährt haben – etwa als Verschleißschutz auf stark beanspruchten Werkzeugen. „Unsere Schichten basieren auf etablierten PVD-Verfahren und lassen sich mit industriereifer Technik auf reale Kraftwerkskomponenten aufbringen“, erklärt Volker Weihnacht vom Fraunhofer-IWS.
Die Forscher untersuchen verschiedene Schichttypen – darunter Metallnitride, Oxide und diamantartige Kohlenstoffe – auf ihre Barrierewirkung. Die Tests erfolgen unter Bedingungen, wie sie im Fusionskraftwerksbetrieb zu erwarten sind: mechanischer Stress, thermische Wechselbeanspruchung und insbesondere Neutronenstrahlung. Ziel ist es, nicht nur kurzfristige Schutzwirkung nachzuweisen, sondern auch die Langzeitstabilität der Schichten zu verstehen.
Ergänzend zu diesen Tests führen die Forscher detaillierte Analysen durch. „Wir bringen langjährige Erfahrung darin mit, nachzuverfolgen, wie sich Wasserstoffisotope in Fusionsmaterialien ausbreiten“, sagte Armin Manhard vom MPI für Plasmaphysik. An mehreren Permeations-Messplätzen werden systematische Untersuchungen durchgeführt, unterstützt durch hochauflösende Diagnostikmethoden. So sollen werkstoffphysikalische Zusammenhänge aufgeklärt und die Wirkung einzelner Prozessparameter präzise verstanden werden.
Neben den wissenschaftlichen Erkenntnissen will das Projekt konkrete Konzepte für die Übertragung der Technologie auf Kraftwerkskomponenten liefern. „Wir denken von Anfang an mit, wie sich unsere Ergebnisse später in die Praxis überführen lassen – etwa in Form großflächiger Beschichtungen oder integrierter Schutzsysteme“, sagt Weihnacht.
Fh.-IWS / RK
