Seit Herbst 2025 ist das Fraunhofer IWS einer der federführenden Partner im sächsischen Fusionsforschungs-Netzwerk »SAXFUSION«. Das Netzwerk unterstützt Forschung und Unternehmen dabei, frühzeitig Kompetenzen und Wertschöpfungspotenziale für den entstehenden Zukunftsmarkt Fusionsenergie zu erschließen. Durch gezielte Nachwuchsförderung stärkt es zudem den Innovationsstandort Sachsen.

Mit seiner Expertise in der Produktionstechnik fokussiert sich das Fraunhofer IWS aktuell etwa auf Barriereschichten gegen die Tritium- Diffusion, additive Fertigungsverfahren für hochbelastbare Wärmetauscher und andere Komponenten sowie die Entwicklung und Verarbeitung von Speziallegierungen für die Reaktorkonstruktion.

Dünnschichtbarrieren gegen das flüchtige Tritium 

Als Engpass gilt unter anderem Tritium. Es ist ein Teil des Brennstoffgemischs und kommt global extrem selten vor. Schätzungen zufolge existieren auf der Erde insgesamt nur 3,5 Kilogramm natürliches Tritium. Daher werden künftige Reaktoren einen Teil der bei der Fusion entstehenden Neutronen einsetzen, um im Reaktor selbst ausreichend Tritium aus Lithium-6 zu erbrüten. Als Wasserstoffisotop diffundiert Tritium leicht durch fast jedes Material. Weil dadurch wertvoller Fusionsbrennstoff entweicht und zu Materialversprödungen führt, benötigen die Konstrukteure leistungsstarke Diffusionsbarrieren. Dort setzen die Arbeiten des Fraunhofer IWS im Forschungsprojekt »TritiumStopp« gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching an. »Dahinter stehen erhebliche ingenieurtechnische Herausforderungen«, betont Dr. Jens Möller, Leiter Forschungsmanagement. »Wir müssen sicherstellen, dass das Tritium im geschlossenen Kreislauf bleibt und der Stahl im Reaktor nicht geschädigt wird.« Hinzu kommt, dass Tritium Beta-Strahlung emittiert. Zusätzlich muss die Barriere nicht nur dicht und strahlungsresistent, sondern auch besonders robust sein, um den extremen Temperaturen bei der Kernfusion standzuhalten.

Als Ansatz verfolgen die Partner im Projekt »TritiumStopp« eine dünne Beschichtung der Reaktorleitungen mittels Physical Vapor Deposition (PVD). Zwei potenziell geeignete Schichttypen wurden dabei identifiziert: nitridische Hartstoffschichten, zum Beispiel Titannitrid, und diamantartiger amorpher Kohlenstoff. Die Beschichtungstechnologien hierfür hat das Fraunhofer IWS mitentwickelt. »Wir verfügen auf diesem Gebiet über viel Transfererfahrung«, sagt Dr. Volker Weihnacht, kommissarischer Leiter des Technologiefelds Dünnschichttechnik. Als extrem harte und verschleißfeste Schutzschichten haben sie sich bereits auf Werkzeugen und Bauteilen im Fahrzeug- und Maschinenbau bewährt. Solche Eigenschaften sind bei einem Fusionsreaktor zwar eher nachrangig, aber die besonders dichten Schichtstrukturen erschweren die Tritiumdiffusion erheblich, zudem sind sie bekanntermaßen äußerst robust und bereits großtechnisch etabliert. »Die Technologien haben wir im Grundsatz, aber wir müssen sie für den neuen Anwendungszweck weiterentwickeln und erproben«, erklärt Dr. Weihnacht.

Ein Beispiel: Während in bisherigen Anwendungen eher kleine 3D-Teile in großer Stückzahl beschichtet werden, erfordert die Fusionsanwendung die gleichmäßige und großflächige Abscheidung auf Rohre oder Rohrsegmente. »Ein Konzept für einen großtechnisch praktikablen Prozess zu entwickeln, ist nicht nur für uns, sondern auch für unsere Netzwerkpartner ein zentrales Thema«, ergänzt Anne-Katrin Leopold, Koordinatorin des Netzwerks »SAXFUSION« am Fraunhofer IWS.

Additiv gefertigte Bauteile für extreme Anforderungen

In einem weiteren Teilprojekt beschäftigen sich die Dresdner Fraunhofer-Teams mit der Frage, wie sich Wärmetauscher, Strahlungs- und Hitzeschilde (»Blankets«) fertigen lassen, die dem Neutronenfluss im Reaktor widerstehen und nicht aktiviert werden. Gefragt sind sehr ungewöhnliche und komplexe Geometrien, bei denen zudem hochentwickelte Materialien und Materialkombinationen verarbeitet werden. Dafür setzen die Materialwissenschaftler und Ingenieure am Fraunhofer IWS auf additive Fertigungsverfahren (engl.: Additive Manufacturing, AM). In der engeren Wahl steht für die inneren Wärmetauscher beispielsweise Kupfer-Chrom-Zirkonium. »Dieser Werkstoff leitet Wärme ähnlich gut wie reines Kupfer, verfügt aber über eine höhere mechanische Festigkeit«, erläutert Samira Gruber, Wissenschaftlerin am Fraunhofer IWS. Für die erste Wand wiederum hat sich die Fusions-Community bereits weitgehend auf das hochtemperaturbeständige Wolfram festgelegt, das vergleichsweise lange dem Neutronenbeschuss standhält, bevor die Teile turnusmäßig ausgetauscht werden müssen. Jedoch sind auch hier noch einige Herausforderungen zu lösen. So setzt die additive Verarbeitung von Wolfram einen hohen Energieeintrag voraus.

Hochleistungsmaterialien mit besonderen Eigenschaften

Ebenfalls im Rennen um die Fusionsreaktormaterialien der Zukunft sind Hochentropielegierungen, die aus mehreren Elementen in ähnlichen Anteilen bestehen. Diese Werkstoffklasse wartet mit vielen ungewöhnlichen Eigenschaften auf: Einige dieser Materialien sind besonders schwer aktivierbar, andere eher hochtemperaturfest, wieder andere mechanisch hochbelastbar. Gelingt es, diese und weitere Eigenschaften in einem Materialdesign zu vereinen, das sich in industriellen Anlagen gut additiv verarbeiten lässt, wären viele Konstruktionsprobleme, etwa für die Blanket-Halterungen in den Reaktoren, leichter lösbar. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt initiierten Programms »Fusion 2040« arbeitet Prof. Martina Zimmermann am Fraunhofer IWS gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), mit Laser- und Pulverherstellern sowie Mittelständlern an solchen »High Entropy Alloys« (HEA).

Transfer auf Energie-, Medizin-, Haus- und Lasertechnik absehbar

Da der Zeithorizont bis zum Bau eines ersten kommerziellen Fusionsreaktors in Deutschland noch offen ist, haben die Teams des Fraunhofer IWS bei ihrer Fusionsforschung stets auch mittelfristige Verwendungsmöglichkeiten für andere Einsatzfelder vor Augen. Effiziente und hitzebeständige Tritiumbarrieren könnten beispielsweise die Ermüdung von Stahlkomponenten in Hochtemperatur-Elektrolyseuren, -Brennstoffzellen und Wasserstoffrohren mindern. Auch für den Turbinenbau und für Raketentriebwerke sind große Fortschritte als Zweitverwertung zu erwarten. Perspektivisch eröffnen sich Anwendungen in leistungsfähigeren Wärmetauschern für Kraftwerke und Haushalte, in Laseroptiken für Schweiß- und Trennanlagen sowie in der Medizintechnik.

»SAXFUSION«: Hoffnung auf neue regionale Wertschöpfungsketten

Das Ende 2025 gegründete Netzwerk »SAXFUSION« bietet enormes Potenzial für neue Berufsfelder, Impulse und regionale Wertschöpfung in Sachsen. Angesichts des bundesweiten Aufschwungs der Fusionsforschung initiierten Dr. Jens Möller vom Fraunhofer IWS Dresden und Dr. Michael Bussmann vom HZDR dieses Netzwerk, das aktuell aus zehn sächsischen Universitäten, Hochschulen und Instituten besteht und weitere Mitglieder aufnimmt. Die Koordination haben das HZDR und das Fraunhofer IWS übernommen, die für anwendungsnahe Material- und Fertigungsprozessinnovationen auf der einen, Grundlagenforschung und Hochleistungslaser sowie aufwendige Supercomputing-Simulationen der Fusionsprozesse auf der anderen Seite stehen. Die Technische Universität Dresden bringt ihre Erfahrungen mit Kernreaktorsicherheit ein. Während am Fraunhofer IWS das Materialdesign vorrangig AM-gestützt erfolgt, bringt das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) seine langjährigen Erfahrungen in der klassischen Materialentwicklung ein. Die beteiligten Hochschulen fokussieren sich unter anderem auf die Ausbildung der jungen Talente für die Fusionforschung, während das Leipziger Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung (IOM) seine Expertise in Präzisionsoptiken bereitstellt. Dabei soll es nicht bleiben: »Das Interesse aus der Industrie an SAXFUSION ist groß«, berichtet Anne-Katrin Leopold. »Ich bin mir sicher, dass noch mehr Partner dazustoßen, gerade auch aus der Wirtschaft.« Sie vergleicht das ehrgeizige Vorhaben, einen Fusionsreaktor zu errichten und zu betreiben, mit dem Apollo-Programm der USA, das damals für gesellschaftlichen Aufbruch, technologische Fortschritte und neue Unternehmensgründungen sorgte. »Vielleicht brauchen wir genau das jetzt: Eine visionäre Idee, die uns motiviert, auch große Herausforderungen gemeinsam zu meistern.«