AM-SHIELD

Motivation

Die Entwicklung eines wirtschaftlich betreibbaren Fusionskraftwerks hängt entscheidend von der maschinenbaulichen Auslegung und Fertigung der reaktornahen Komponenten ab. Plasma-nahe Strukturen wie das Blanket sind extremen thermischen Lasten, starken mechanischen Gradienten und intensiver Neutronenstrahlung ausgesetzt. Diese Kombination führt zu Versprödung, Schwellung und mikrostrukturellen Schädigungen, deren langfristige Auswirkungen bisher nur eingeschränkt vorhersagbar sind.

Zugleich sind Blanket-Bauteile geometrisch hochkomplex: Sie müssen Wärme effizient abführen und enthalten fein ausgeprägte Funktions- und Kühlstrukturen. Solche Formen sind mit konventionellen Fertigungsverfahren nur begrenzt realisierbar. Daher besteht ein dringender Bedarf an Fertigungstechnologien, die einerseits hohe Gestaltungsfreiheit bieten und andererseits Werkstoffe einsetzen können, die den extremen Fusionsbedingungen standhalten.

Rolle des Fraunhofer IWS:

Das Fraunhofer IWS verfügt über weitreichende Kompetenzen in der additiven Fertigung großvolumiger Metallstrukturen, im High-Throughput-Materialdesign, in der werkstoffwissenschaftlichen Charakterisierung sowie in datengetriebener Prozessentwicklung. Diese Fähigkeiten ermöglichen es, die Herausforderungen sowohl auf der Werkstoff- als auch auf der Fertigungsseite fundiert anzugehen.

Ziele und Vorgehen

AM-SHIELD verfolgt das Ziel, einen hybriden Fertigungsansatz zu entwickeln, der die Herstellung komplexer, großvolumiger Strukturbauteile aus Eurofer97 ermöglicht und dabei sowohl geometrische Freiheitsgrade als auch wirtschaftliche Prozessführung berücksichtigt. Parallel dazu soll ein beschleunigter Entwicklungs- und Bewertungsprozess für neue, bestrahlungsresistente Werkstoffe entstehen. Die Ionenbestrahlung dient dabei als zentrales Werkzeug, um Materialschädigungen unter Fusionsbedingungen effizient und reproduzierbar nachbilden zu können.

Das Fraunhofer IWS übernimmt in diesem Prozess eine Schlüsselrolle: Es entwickelt die additiven Fertigungsprozesse weiter, optimiert die Verarbeitung von Eurofer97 und neuen Legierungsvarianten und analysiert deren Gefüge- und Eigenschaftsentwicklung. Durch sein High-Throughput-Materialdesign trägt es maßgeblich dazu bei, Werkstoffvarianten systematisch zu erzeugen, zu vergleichen und in übertragbare Prozessketten zu überführen. So entsteht eine belastbare Grundlage für skalierbare Herstellungsrouten, die später auch in industriellen Umgebungen eingesetzt werden können.

Innovationen und Perspektiven

AM-SHIELD verbindet erstmals die schnelle Entwicklung strahlungsresistenter Werkstoffe mit deren prozesssicherer additiver und hybrider Verarbeitung. Das kombinatorische Legierungsdesign ermöglicht es, eine Vielzahl von Hochentropielegierung effizient zu untersuchen und gezielt auf Fusionsbedingungen hin auszulegen. Die Ionenbestrahlung liefert dabei einen neuartigen, schnellen Zugang zu belastbaren Aussagen über Schädigungsmechanismen und Materialstabilität.

Gleichzeitig werden hochleistungsfähige additive und hybride Fertigungsprozesse so weiterentwickelt, dass komplexe Blanket-Strukturen künftig wirtschaftlich herstellbar werden. Damit schafft das Projekt eine entscheidende technologische Grundlage, um künftige Fusionskraftwerke überhaupt realisierbar zu machen.

Über die Fusion hinaus eröffnen die entwickelten Werkstoffe, Methoden und Prozessrouten breite Perspektiven – etwa in der Energietechnik, der Wasserstoffwirtschaft oder dem Hochtemperatur-Anlagenbau. AM-SHIELD kann so weit über den eigentlichen Projektkontext hinaus wichtige Impulse für zukünftige Hochleistungsanwendungen setzen.