Forscher berichten über Metalllegierungen, die die Kernfusionsenergie unterstützen könnten

Ende 2022 gaben Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory bekannt, dass sie zum ersten Mal einen Nettoenergiegewinn durch Kernfusion beobachtet hatten. Dieser monumentale Meilenstein in Richtung Fusionsenergie stellt einen großen Schritt nach vorne dar, um unsere Haushalte und Unternehmen mit der CO2-neutralen Energiequelle zu versorgen. Aber um diese wissenschaftliche Errungenschaft in eine praktische Energiequelle umzuwandeln, sind auch neue Technologien erforderlich, um eine Gesellschaft mit Fusionsantrieb Wirklichkeit werden zu lassen.

Wissenschaftler des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) und des Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech) tragen durch ihre Materialforschungsbemühungen dazu bei, dieses Ziel zu verwirklichen. Ihre jüngste Arbeit, veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichteplädiert für schwere Wolframlegierungen und zeigt, wie sie für den Einsatz in fortschrittlichen Kernfusionsreaktoren verbessert werden können, indem die Struktur von Muscheln nachgeahmt wird.

„Dies ist die erste Studie, die diese Materialgrenzflächen auf so kleinen Längenskalen beobachtet“, sagte Jacob Haag, Erstautor der Forschungsarbeit. „Dabei haben wir einige der grundlegenden Mechanismen aufgedeckt, die die Zähigkeit und Haltbarkeit von Materialien bestimmen.“

Hält der Hitze stand

Die Sonne – mit einer Kerntemperatur von etwa 27 Millionen Grad Fahrenheit – wird durch Kernfusion angetrieben. Daher sollte es nicht überraschen, dass Fusionsreaktionen viel Wärme erzeugen. Bevor Wissenschaftler Fusionsenergie als Energiequelle nutzen können, müssen sie fortschrittliche Kernfusionsreaktoren entwickeln, die hohen Temperaturen und Bestrahlungsbedingungen standhalten, die mit Fusionsreaktionen einhergehen.

Von allen Elementen auf der Erde hat Wolfram einen der höchsten Schmelzpunkte. Das macht es zu einem besonders attraktiven Material für den Einsatz in Fusionsreaktoren. Es kann aber auch sehr spröde sein. Durch das Mischen von Wolfram mit geringen Mengen anderer Metalle wie Nickel und Eisen entsteht eine Legierung, die härter ist als Wolfram allein, während sie ihre hohe Schmelztemperatur beibehält.

Es ist nicht nur ihre Zusammensetzung, die diesen schweren Wolframlegierungen ihre Eigenschaften verleiht – eine thermomechanische Behandlung des Materials kann Eigenschaften wie Zugfestigkeit und Bruchzähigkeit verändern. Eine spezielle Warmwalztechnik erzeugt Mikrostrukturen in schweren Wolframlegierungen, die die Struktur von Perlmutt, auch bekannt als Perlmutt, in Muscheln nachahmen. Perlmutt ist dafür bekannt, dass es neben seinen schönen schillernden Farben eine außergewöhnliche Stärke aufweist. Die Forschungsteams von PNNL und Virginia Tech untersuchten diese Perlmutt nachahmenden schweren Wolframlegierungen auf mögliche Kernfusionsanwendungen.

„Wir wollten verstehen, warum diese Materialien nahezu beispiellose mechanische Eigenschaften im Bereich der Metalle und Legierungen aufweisen“, sagte Haag.

Untersuchung von Mikrostrukturen auf große Zähigkeit

Um einen genaueren Blick auf die Mikrostruktur der Legierungen zu werfen, verwendeten Haag und sein Team fortschrittliche Techniken zur Materialcharakterisierung, wie z. B. Rastertransmissionselektronenmikroskopie, um die atomare Struktur zu beobachten. Sie kartierten auch die nanoskalige Zusammensetzung der Materialgrenzfläche mit einer Kombination aus energiedispersiver Röntgenspektroskopie und Atomsondentomographie.

Innerhalb der perlmuttartigen Struktur besteht die schwere Wolframlegierung aus zwei unterschiedlichen Phasen: einer „harten“ Phase aus fast reinem Wolfram und einer „duktilen“ Phase, die eine Mischung aus Nickel, Eisen und Wolfram enthält. Die Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die hohe Festigkeit von Wolfram-Schwerlegierungen von einer hervorragenden Bindung zwischen den unterschiedlichen Phasen herrührt, einschließlich eng verbundener „harter“ und „duktiler“ Phasen.

„Während die beiden unterschiedlichen Phasen einen zähen Verbund bilden, stellen sie erhebliche Herausforderungen bei der Vorbereitung hochwertiger Proben für die Charakterisierung dar“, sagte Wahyu Setyawan, PNNL-Computerwissenschaftler und Mitautor der Veröffentlichung. „Unsere Teammitglieder haben dabei hervorragende Arbeit geleistet, die es uns ermöglicht, die detaillierte Struktur der Grenzflächengrenzen sowie die chemische Abstufung über diese Grenzen hinweg aufzudecken.“

Die Studie zeigt, wie Kristallstruktur, Geometrie und Chemie zu starken Materialgrenzflächen in schweren Wolframlegierungen beitragen. Es offenbart auch Mechanismen zur Verbesserung des Materialdesigns und der Materialeigenschaften für Fusionsanwendungen.

„Wenn diese Bi-Phasen-Legierungen im Inneren eines Kernreaktors eingesetzt werden sollen, müssen sie auf Sicherheit und Langlebigkeit optimiert werden“, so Haag.

Aufbau der nächsten Generation von Fusionsmaterialien

Die in dieser Studie präsentierten Ergebnisse werden innerhalb von PNNL und in der wissenschaftlichen Forschungsgemeinschaft bereits in vielen Dimensionen weiter ausgebaut. Am PNNL wird an Multiskalen-Materialmodellierungsforschung gearbeitet, um die Struktur und Chemie zu optimieren und die Festigkeit unterschiedlicher Materialgrenzflächen zu testen, sowie experimentelle Untersuchungen durchzuführen, um zu beobachten, wie sich diese Materialien unter den extremen Temperaturen und Bestrahlungsbedingungen eines Fusionsreaktors verhalten.

„Es ist eine aufregende Zeit für die Fusionsenergie mit erneutem Interesse des Weißen Hauses und des privaten Sektors. Die Forschung, die wir betreiben, um Materiallösungen für einen längeren Betrieb zu finden, ist entscheidend erforderlich, um die Realisierung von Fusionsreaktoren zu beschleunigen.“ sagte Setjawan.

Weitere PNNL-Autoren sind Jing Wang (ehemals PNNL), Karen Kruska, Matthew Olszta, Charles Henager, Danny Edwards und Mitsu Murayama, der ebenfalls eine gemeinsame Ernennung mit Virginia Tech innehat.