Ingenieure der University of Wisconsin-Madison haben mithilfe einer Sprühbeschichtungstechnologie ein neues Arbeitsmaterial hergestellt, das den rauen Bedingungen in einem Fusionsreaktor standhält.
Der Vormarsch, detailliert in einem Papier kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Physica Scriptakönnten effizientere kompakte Fusionsreaktoren ermöglichen, die einfacher zu reparieren und zu warten sind.
„Die Fusionsgemeinschaft ist dringend auf der Suche nach neuen Herstellungsansätzen, um große, dem Plasma zugewandte Komponenten in Fusionsreaktoren wirtschaftlich herzustellen“, sagt Mykola Ialovega, Postdoktorandin für Kerntechnik und technische Physik an der UW-Madison und Hauptautorin des Artikels. „Unsere Technologie weist erhebliche Verbesserungen gegenüber aktuellen Ansätzen auf. Mit dieser Forschung sind wir die ersten, die die Vorteile des Einsatzes der Kaltspritzbeschichtungstechnologie für Fusionsanwendungen demonstrieren.“
Die Forscher nutzten ein Kaltspritzverfahren, um eine Schicht aus Tantal, einem Metall, das hohen Temperaturen standhält, auf Edelstahl abzuscheiden. Sie testeten ihre Kaltspritz-Tantalbeschichtung unter den extremen Bedingungen eines Fusionsreaktors und stellten fest, dass sie sehr gut funktionierte. Wichtig ist, dass sie herausfanden, dass das Material außerordentlich gut darin ist, Wasserstoffpartikel einzufangen, was für kompakte Fusionsgeräte von Vorteil ist.
„Wir haben herausgefunden, dass die Kaltspritz-Tantalbeschichtung aufgrund der einzigartigen Mikrostruktur der Beschichtung viel mehr Wasserstoff absorbiert als Massentantal“, sagt Kumar Sridharan, Professor für Kerntechnik und technische Physik sowie Materialwissenschaften und -technik. Im letzten Jahrzehnt hat Sridharans Forschungsgruppe die Kaltspray-Technologie in der Kernenergiebranche eingeführt, indem sie sie für mehrere Anwendungen im Zusammenhang mit Spaltreaktoren implementiert hat.
„Die Einfachheit des Kaltspritzverfahrens macht es für Anwendungen sehr praktisch“, sagt Sridharan.
In Fusionsgeräten wird Plasma – ein ionisiertes Wasserstoffgas – auf extrem hohe Temperaturen erhitzt, und Atomkerne im Plasma kollidieren und verschmelzen. Dieser Fusionsprozess erzeugt Energie. Allerdings können einige Wasserstoffionen neutralisiert werden und aus dem Plasma entweichen.
„Diese wasserstoffneutralen Partikel verursachen Leistungsverluste im Plasma, was es sehr schwierig macht, ein heißes Plasma aufrechtzuerhalten und über einen effektiven kleinen Fusionsreaktor zu verfügen“, sagt Ialovega, der in der Forschungsgruppe von Oliver Schmitz, einem Professor für Kerntechnik, arbeitet technische Physik.
Aus diesem Grund machten sich die Forscher daran, eine neue Oberfläche für die dem Plasma zugewandten Reaktorwände zu schaffen, die Wasserstoffpartikel einfangen könnte, wenn sie mit den Wänden kollidieren.
Tantal ist von Natur aus gut darin, Wasserstoff zu absorbieren – und die Forscher vermuteten, dass die Herstellung einer Tantalbeschichtung mithilfe eines Kaltspritzverfahrens seine Fähigkeit, Wasserstoff einzufangen, noch weiter steigern würde.
Die Herstellung einer Kaltspritzbeschichtung ähnelt der Verwendung einer Sprühdose. Dabei werden Partikel des Beschichtungsmaterials mit Überschallgeschwindigkeit auf eine Oberfläche geschleudert. Beim Aufprall werden die Partikel wie Pfannkuchen flach und bedecken die gesamte Oberfläche, wobei nanoskalige Grenzen zwischen den Beschichtungspartikeln erhalten bleiben. Die Forscher fanden heraus, dass diese winzigen Grenzen das Einfangen von Wasserstoffpartikeln erleichtern.
Ialovega führte Experimente mit dem beschichteten Material in Einrichtungen der Universität Aix Marseille in Frankreich und der Forschungszentrum Jülich GmbH in Deutschland durch. Bei diesen Experimenten stellte er fest, dass beim Erhitzen des Materials auf eine höhere Temperatur die eingeschlossenen Wasserstoffpartikel ausgestoßen wurden, ohne die Beschichtungen zu verändern – ein Prozess, der das Material im Wesentlichen regeneriert, sodass es wieder verwendet werden kann.
„Ein weiterer großer Vorteil des Kaltspritzverfahrens besteht darin, dass wir Reaktorkomponenten vor Ort reparieren können, indem wir eine neue Beschichtung auftragen“, sagt Ialovega. „Derzeit müssen beschädigte Reaktorkomponenten oft ausgebaut und durch ein komplett neues Teil ersetzt werden, was kostspielig und zeitaufwändig ist.“
Die Forscher planen, ihr neues Material im Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror (WHAM) einzusetzen. Das Versuchsgerät befindet sich in der Nähe von Madison, Wisconsin, im Bau und wird als Prototyp für ein zukünftiges Fusionskraftwerk der nächsten Generation dienen, das das UW-Madison-Spinoff Realta Fusion entwickeln will. Das im Physical Sciences Laboratory untergebrachte WHAM-Experiment ist eine Partnerschaft zwischen der UW-Madison, dem Massachusetts Institute of Technology und Commonwealth Fusion Systems.
„Die Schaffung eines hochschmelzenden Metallverbundwerkstoffs mit diesen Merkmalen einer gut kontrollierten Wasserstoffbehandlung in Kombination mit Erosionsbeständigkeit und allgemeiner Materialbeständigkeit ist ein Durchbruch für die Konstruktion von Plasmageräten und Fusionsenergiesystemen“, sagt Schmitz. „Besonders spannend ist die Aussicht, die Legierung zu ändern und andere hochschmelzende Metalle einzubeziehen, um den Verbundstoff für nukleare Anwendungen zu verbessern.“
Mehr Informationen:
Mykola Ialovega et al., Erste Studie zur thermischen Stabilität einer mit Deuterium bestrahlten Kaltspritz-Tantalbeschichtung für Fusionsanwendungen, Physica Scripta (2023). DOI: 10.1088/1402-4896/ad0098