Kernfusion

Die sichere, nachhaltige und nahezu unerschöpfliche Energiegewinnung durch Kernfusion ist eine der großen technologischen Herausforderungen unserer Zeit. Nachdem 2021 gezeigt wurde, dass Kernenergie tatsächlich mehr Energie erzeugen kann, als es zum Start der Reaktion benötigt, geht es nun darum, technologische Herausforderungen zu meistern, um Kernfusionskraftwerke zu bauen. Damit Fusionsreaktoren künftig zur zuverlässigen Energieversorgung beitragen können, bedarf es neuartiger Materialien und Fertigungstechnologien, die extremen thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen standhalten. Das Fraunhofer IWS entwickelt Schlüsseltechnologien, die maßgeblich zur Realisierung von Komponenten für künftige Fusionskraftwerke beitragen.

Werkstoffe und Fertigungstechnologien für die Kernfusion

Unser Fokus liegt auf der Entwicklung von hochspezialisierten Werkstoffen und Beschichtungen sowie fortschrittlichen Fertigungsprozessen, die langlebige und hoch performante Bauteile, die den komplexen und extremen Bedingungen von Fusionsreaktoren gewachsen sind erzeugen. Mit der Betrachtung dieser für den Kraftwerksbau relevanten Querschnittstechnologien adressieren wir sowohl die Magneteinschluss- und Trägheitsfusion. Für den Betrieb eines Fusionskraftwerkes wird auch die kontinuierliche Materialcharakterisierung relevant sein zu der das Fraunhofer IWS mit seiner langjährigen Expertise beiträgt.

Forschungsschwerpunkte

Hochspezialisierte Werkstoffe und Beschichtungen

Tritium-Barriere-Schichten

Tritium-Deuterium- Mischungen werden als Treibstoff für die Reaktoren wichtig sein. Um den Verlust von Tritium und anderen Wasserstoffisotopen in Fusionsanlagen zu minimieren, entwickelt das Fraunhofer IWS innovative Tritium-Barriere-Schichten. Mittels spezialisierter Kohlenstoffschichten, sogenannter ta-C-Beschichtungen, werden hochdichte Schutzschichten erzeugt, die im Projekt TritiumStopp gezielt für Fusionsanwendungen optimiert werden.

Materialdesign in Verbindung mit Prozesstechnologien

Im Projekt ORCHESTER verknüpfen wir Materialdesign direkt mit der Fertigungstechnik: Durch gezielt gesteuerte Pulver-Düsen-Systeme wird während des additiven Herstellungsprozesses das Legierungsdesign aktiv angepasst, um werkstoffseitig auf unterschiedliche Einsatzanforderungen zu reagieren.

Skalierbare, sichere Prozesse

Additive Fertigung von Großbauteilen und Multimaterial-Komponenten

In Fusionsreaktoren treffen extrem hohe und tiefe Temperaturen, starke Magnetfelder und hochenergetische Neutronenstrahlung auf die umgebende Struktur. Mittels Additiver Fertigung können hochintegrierte Bauteile aus modernsten Werkstoffen erzeugt werden, die diesen Anforderungen genügen. Für den Bau komplexer Fusionsreaktorkomponenten erforschen wir Additive Fertigung von Großbauteilen und Multimaterial-Systemen. Im Mittelpunkt stehen hochleistungsfähige Werkstoffe wie High-Entropy-Alloys (HEA), Titan-Aluminide, Titan- und Nickel-Basis-Legierungen sowie Kupfer und dessen Legierungen, z. B. CuCrZr.

Werkstoffcharakterisierung

Um die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit von Komponenten im Fusionsreaktor sicherzustellen, führen wir umfassende Werkstoffcharakterisierung durch. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Werkstoffermüdung und Bewertung des Langzeitverhaltens unter realistischen Betriebsbedingungen.