Auswahl der richtigen Strukturmaterialien für Fusionsreaktoren

Korrodieren zwei vielversprechende Strukturmaterialien bei sehr hohen Temperaturen, wenn sie in Kontakt mit „Flüssigmetall-Brennstoffbrütern“ in Fusionsreaktoren kommen? Forscher des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), der National Institutes for Quantum Science and Technology (QST) und der Yokohama National University (YNU) haben nun die Antwort. Diese Hochtemperaturkompatibilität von Reaktorstrukturmaterialien mit dem Flüssigbrüter – einer Auskleidung um den Reaktorkern, die die im Plasma im Inneren des Reaktors erzeugten hochenergetischen Neutronen absorbiert und einfängt – ist der Schlüssel zum Erfolg eines Fusionsreaktordesigns.

Fusionsreaktoren könnten ein leistungsfähiges Mittel zur Erzeugung sauberer Elektrizität sein, und derzeit werden mehrere mögliche Konstruktionen untersucht. In einem Fusionsreaktor setzt die Verschmelzung zweier Atomkerne gewaltige Energiemengen frei. Diese Energie wird als Wärme in einer „Brutdecke“ (BB) eingeschlossen, typischerweise einer flüssigen Lithiumlegierung, die den Reaktorkern umgibt. Diese Wärme wird dann verwendet, um eine Turbine anzutreiben und Strom zu erzeugen. Der BB hat auch eine wesentliche Funktion der Fusionsbrennstoff-Zucht, indem er einen geschlossenen Brennstoffkreislauf für den endlosen Betrieb der Reaktoren ohne Brennstofferschöpfung schafft.

Der Betrieb eines BB bei extrem hohen Temperaturen über 1173 K dient der attraktiven Funktion, Wasserstoff aus Wasser herzustellen, was eine vielversprechende Technologie zur Verwirklichung einer CO2-neutralen Gesellschaft darstellt. Dies ist möglich, weil sich das BB durch die Aufnahme der Energie aus der Fusionsreaktion auf über 1173 K aufheizt. Bei solchen Temperaturen besteht die Gefahr, dass Konstruktionsmaterialien in Kontakt mit dem BB korrodieren, was die Sicherheit und Stabilität der Reaktoren beeinträchtigt. Es ist daher notwendig, Strukturmaterialien zu finden, die bei diesen Temperaturen mit dem BB-Material chemisch kompatibel sind.

Eine Art von BB, die derzeit erforscht wird, ist das Flüssigmetall-BB. Ein vielversprechender Kandidat für solche BBs ist eine Legierung aus flüssigem Lithiumblei (LiPb). Als Kandidaten für Strukturmaterialien, die bei sehr hohen Temperaturen mit flüssigem LiPb kompatibel sind, werden ein bestimmtes Siliziumkarbid (SiC)-Material, CVD-SiC, und eine an Luft voroxidierte Eisen-Chrom-Aluminium (FeCrAl)-Legierung untersucht. Jenseits von Temperaturen von 973 K fehlen jedoch Informationen zu dieser Kompatibilität.

Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern von Tokyo Tech, QST und YNU, Japan, unter der Leitung von Professor Masatoshi Kondo von Tokyo Tech, die Kompatibilität bei viel höheren Temperaturen nachgewiesen. Ihre Ergebnisse werden in veröffentlicht Korrosionswissenschaft. „Unsere Studie macht die Nuancen des Korrosionsbeständigkeitsmechanismus von CVD-SiC- und FeCrAl-Legierungen in flüssigem LiPb bis 1173 K deutlich“, erklärt Prof. Kondo.

Das Team synthetisierte zunächst hochreines LiPb durch Schmelzen und Mischen von Li- und Pb-Körnchen in einer Apparatur unter Vakuumbedingungen. Dann erhitzten sie die Legierung auf die oben genannten Temperaturen, bei denen sie verflüssigt wurde. Proben von CVD-SiC und zwei Varianten der FeCrAl-Legierung – mit und ohne Voroxidationsbehandlung zur Bildung einer α-Al2O3-Oberflächenschicht – wurden für 250 Stunden zum Korrosionstest in dieses flüssige LiPb gelegt. Prof. Kondo stellt fest: „Ein interessantes Ergebnis ist, dass im Gegensatz zur früheren Literatur die Oxidationsvorbehandlung zur Bildung einer α-Al2O3-Schicht keine Korrosionsbeständigkeit über 1023 K hinaus lieferte.“

Querschnitte der gewonnenen Proben zeigten, dass CVD-SiC mit Verunreinigungen in der LiPb-Legierung reagierte, um eine Schicht aus komplexen Oxiden zu bilden, die ihr dann Korrosionsbeständigkeit verlieh. Die unbehandelte FeCrAl-Legierung bildete bei der Reaktion mit LiPb eine Schicht des Oxids γ-LiAlO2, die dann als Korrosionsbarriere wirkte. Im Fall des vorbehandelten FeCrAl stellte die α-Al2O3-Oberflächenschicht eine Korrosionsbeständigkeit bei 873 K bereit, wurde jedoch bei 1173 K in γ-LiAlO2 umgewandelt, und es war γ-LiAlO2, das dann eine Korrosionsbeständigkeit bereitstellte.