Forscher berichten über Metalllegierungen, die die Kernfusionsenergie unterstützen könnten

Apr 22, 2024

24. Januar 2023

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von Sarah Wong, Pacific Northwest National Laboratory

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 Fortschritt bei der Versorgung unserer Haushalte und Unternehmen mit der kohlenstoffneutralen Energiequelle dar. Doch um diese wissenschaftliche Errungenschaft in eine praktische Energiequelle umzuwandeln, sind auch neue Technologien erforderlich, um eine durch Fusion angetriebene Gesellschaft 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, in Scientific Reports veröffentlichte Arbeit plädiert für schwere Wolframlegierungen und zeigt, wie sie durch die Nachahmung der Struktur von Muscheln für den Einsatz in fortschrittlichen Kernfusionsreaktoren verbessert werden können.

„Dies ist die erste Studie, die diese Materialgrenzflächen auf solch 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.“

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 den hohen Temperaturen und Strahlungsbedingungen standhalten, die mit Fusionsreaktionen einhergehen.

Von allen Elementen auf der Erde hat Wolfram einen der höchsten Schmelzpunkte. Dies macht es zu einem besonders attraktiven Material für den Einsatz in Fusionsreaktoren. Allerdings kann es auch sehr spröde sein. Durch das Mischen von Wolfram mit geringen Mengen anderer Metalle wie Nickel und Eisen entsteht eine Legierung, die härter als Wolfram allein ist und gleichzeitig 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 Perlmutt genannt, in Muscheln nachahmen. Perlmutt ist neben seinen wunderschönen schillernden Farben auch für seine außergewöhnliche Festigkeit bekannt. Die Forschungsteams von PNNL und Virginia Tech untersuchten diese Perlmutt-ähnlichen schweren Wolframlegierungen für mögliche Anwendungen in der Kernfusion.

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

Um einen genaueren Blick auf die Mikrostruktur der Legierungen zu werfen, nutzten Haag und sein Team fortschrittliche Techniken zur Materialcharakterisierung, wie etwa Rastertransmissionselektronenmikroskopie, um die Atomstruktur zu beobachten. Sie kartierten auch die nanoskalige Zusammensetzung der Materialgrenzfläche mithilfe 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 schwerer Wolframlegierungen auf einer hervorragenden Bindung zwischen den unterschiedlichen Phasen, einschließlich eng verbundener „harter“ und „duktiler“ Phasen, beruht.

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

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

„Wenn diese zweiphasigen Legierungen im Inneren eines Kernreaktors eingesetzt werden sollen, ist es notwendig, sie hinsichtlich Sicherheit und Langlebigkeit zu optimieren“, sagte Haag.

Die in dieser Studie präsentierten Ergebnisse werden bereits in vielen Dimensionen innerhalb von PNNL und in der wissenschaftlichen Forschungsgemeinschaft weiter ausgebaut. Am PNNL werden multiskalige Materialmodellierungsforschungen durchgeführt, um die Struktur und Chemie zu optimieren und die Festigkeit unterschiedlicher Materialgrenzflächen zu testen. Außerdem werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um zu beobachten, wie sich diese Materialien unter den extremen Temperaturen und Strahlungsbedingungen eines Fusionsreaktors verhalten.

„Es ist eine aufregende Zeit für die Fusionsenergie mit erneutem Interesse seitens des Weißen Hauses und des Privatsektors. Die Forschung, die wir bei der Suche nach Materiallösungen für längere Betriebszeiten durchführen, ist von entscheidender Bedeutung, um die Realisierung von Fusionsreaktoren zu beschleunigen.“ sagte Setyawan.

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

Mehr Informationen: JV Haag et al., Untersuchung der Grenzflächenfestigkeit in perlmuttähnlichen schweren Wolframlegierungen für Kernfusionsanwendungen, Wissenschaftliche Berichte (2023). DOI: 10.1038/s41598-022-26574-4

Zeitschrifteninformationen:Wissenschaftliche Berichte

Bereitgestellt vom Pacific Northwest National Laboratory