Forschungsmaterialien für die Fusionsenergieforschung

Im Gegensatz zur herkömmlichen Kernspaltung, bei der schwere Atomkerne gespalten werden, erzeugt die Fusion Energie durch das Verschmelzen leichter Atomkerne und bietet damit eine nahezu unbegrenzte und saubere Energiequelle.

Die extremen Bedingungen im Inneren eines Fusionsreaktors stellen jedoch beispiellose Anforderungen an die Materialien und erfordern Metalle und Hochleistungswerkstoffe, die auf Haltbarkeit, Stabilität und Effizienz ausgelegt sind.

Bei Advent Research Materials liefern wir hochreine Metalle, Legierungen und Polymere, die für Anwendungen in der Fusionsforschung unverzichtbar sind.

Unsere Materialien unterstützen zentrale Bereiche wie plasmaexponierte Komponenten, die Speicherung von Wasserstoffisotopen und strukturelle Reaktormaterialien und ermöglichen Wissenschaftlern und Ingenieuren, die Grenzen der Fusionstechnologie zu erweitern.

Zentrale Herausforderungen bei Fusionsenergiewerkstoffen

Fusionsreaktoren, einschließlich experimenteller Anlagen wie ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), benötigen Materialien, die den folgenden Bedingungen standhalten können:

• Extreme Temperaturen – Das Plasma in einem Tokamak oder Stellarator kann über 100 Millionen Grad Celsius erreichen und erfordert Materialien mit sehr hohen Schmelzpunkten und ausgezeichneter thermischer Stabilität.

  Tatsächlich verwenden einige experimentelle Fusionsreaktoren, wie zum Beispiel JET (Joint European Torus) and ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) streben an, Plasma bei Temperaturen von über 150 Millionen Grad Celsius aufrechtzuerhalten – heißer als der Kern der Sonne. Diese extremen Temperaturen sind notwendig, da Fusionsreaktionen erfordern, dass Wasserstoffisotope (Deuterium und Tritium) ihre natürliche elektrostatische Abstoßung überwinden. Je heißer das Plasma, desto wahrscheinlicher ist es, dass diese Teilchen zusammenstoßen und verschmelzen, wobei Energie freigesetzt wird.

• Hohe Strahlenbelastung – In Fusionsreaktionen entstehende Neutronen führen zur Materialdegradation und erfordern strahlungsbeständige Metalle und Verbundwerkstoffe.
• Wasserstoff- und Tritium-Management – Materialien müssen Wasserstoffisotope (Deuterium und Tritium), die Hauptbrennstoffe der Fusion, sicher einschließen und kontrollieren können.
• Plasmaexponierte Komponenten (PFCs) – Die Innenwände des Reaktors müssen Erosion, Versprödung und Plasmaeinwirkungen widerstehen und gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufrechterhalten.

Tokamaks und Fusionsforschung in Oxford

Was ist ein Tokamak?

Ein Tokamak ist eines der fortschrittlichsten Konzepte zur Erzeugung kontrollierter Kernfusion.

Er besteht aus einer ringförmigen (toroidalen) Kammer, in der starke Magnetfelder verwendet werden, um überhitztes Plasma einzuschließen und zu stabilisieren, sodass Fusionsreaktionen stattfinden können. Ziel ist es, denselben Prozess nachzubilden, der die Sonne antreibt – bei dem Wasserstoffisotope (Deuterium und Tritium) unter extremen Temperaturen verschmelzen und enorme Energiemengen freisetzen.

Im Inneren eines Tokamaks werden Wasserstoffisotope (Deuterium und Tritium) auf extrem hohe Temperaturen erhitzt, wodurch ein Plasma entsteht, in dem die Fusion abläuft und große Energiemengen freigesetzt werden.

Die größte Herausforderung besteht darin, das Plasma lange genug eingeschlossen und stabil zu halten, um eine kontinuierliche Energieerzeugung zu ermöglichen. Magnetfelder, die durch äußere Spulen erzeugt werden, bilden eine Barriere, die verhindert, dass das Plasma die Reaktorwände berührt, und sichern so die extremen Bedingungen, die für die Fusion erforderlich sind. Diese Energie kann anschließend in Elektrizität umgewandelt werden und bietet damit eine sauberere und nachhaltigere Energiequelle als die herkömmliche Kernspaltung.

Eine Variante dieses Designs, der sphärische Tokamak, hat eine kompaktere, apfelförmige Struktur statt der klassischen Donut-Form. Dieses Design wird erforscht, weil es das Potenzial hat, die Effizienz zu erhöhen, die Plasmastabilität zu verbessern und die Größe zukünftiger Fusionsreaktoren zu verringern.

Für weiterführende Einblicke empfiehlt sich das Video von Tokamak Energy, das die Konstruktion von Tokamaks und die Vorteile sphärischer Tokamaks erklärt.

Fusionsforschung in Oxford: Die Zukunft der Energie gestalten

Oxford hat sich zu einem globalen Zentrum der Fusionsenergieforschung entwickelt, mit bahnbrechenden Entwicklungen, die von Unternehmen wie Tokamak Energy und First Light Fusion geleitet werden.

Diese Organisationen treiben Fortschritte bei kompakten Fusionsreaktoren und alternativen Fusionsansätzen voran und fördern Innovationen in den Bereichen Plasmakonfinierung, Neutronenabschirmung und Hochleistungsmaterialien.

Mit großen Forschungsinitiativen und zunehmenden Investitionen aus dem privaten Sektor treibt Oxford den Fortschritt in der kommerziellen Fusionsenergie voran und zeigt das Potenzial für saubere, nachhaltige Energie im großen Maßstab – mit bahnbrechenden Entwicklungen, die von Unternehmen wie Tokamak Energy und First Light Fusion geleitet werden.

Metalle und Legierungen für die Fusionsenergieforschung

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, spielen Hochleistungsmetalle und -legierungen eine entscheidende Rolle in den Komponenten von Fusionsreaktoren:

• Wolfram (W) und Wolframlegierungen

Verwendung: Plasmaexponierte Komponenten (PFCs), Divertoren und Wandmaterialien der ersten Schicht.

Warum? Wolfram besitzt einen außergewöhnlich hohen Schmelzpunkt (3422 °C), eine geringe Sputterrate und eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, was es ideal für den Einsatz unter extremer Hitze und Neutronenbeschuss macht.

• Kupfer (Cu) und Kupferlegierungen

Verwendung: Wärmetauscher, Kühlsysteme sowie supraleitende Spulen und Magnete.

Warum? Kupfer bietet eine hohe Wärmeleitfähigkeit und effiziente Wärmeableitung – entscheidend für Kühlsysteme von Reaktoren und Hochleistungsmagnet-Technologien. Diese Magnete sind unerlässlich, um das Plasma im Fusionsreaktor einzuschließen. Ein bemerkenswertes Beispiel ist die Verwendung von Seltenerd-Barium-Kupferoxid (ReBCO)-Materialien, wie Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO), die bei vergleichsweise höheren Temperaturen Supraleitung aufweisen. Diese Eigenschaft ermöglicht die Erzeugung stärkerer Magnetfelder, die für eine effiziente Plasmakonfinierung notwendig sind.

• Nickel (Ni) und Nickellegierungen

Verwendung: Strukturkomponenten und Management von Wasserstoffisotopen.

Warum? Nickellegierungen weisen eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen und Korrosionsbeständigkeit auf – Eigenschaften, die für die langfristige Leistungsfähigkeit von Fusionsreaktoren entscheidend sind.

• Zirkonium (Zr) und Zirkoniumlegierungen

Verwendung: Materialien zur Tritiumerzeugung und strukturelle Reaktorkomponenten.

Warum? Zirkonium hat einen geringen Neutroneneinfangquerschnitt und ist daher gut für Umgebungen mit Fusionsneutronen geeignet.

• Tantal (Ta) und Niobium (Nb)

Verwendung: Hochleistungs-Strukturmaterialien für extreme Umgebungen.

Warum? Diese hochschmelzenden Metalle bieten eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Hitze, Korrosion und Neutronenstrahlung.

Wasserstoff- und Tritium-Management: Materialien zur Isotopen­einschließung

Fusionsreaktionen verwenden Deuterium- und Tritiumisotope als Brennstoff, weshalb wasserstoffdurchlässige und einschließende Materialien entscheidend für Effizienz und Sicherheit sind. Zu den Hochleistungsmetallen für die Tritiumverarbeitung gehören:

• Palladium (Pd) und Palladiumlegierungen – werden in Wasserstoffreinigungsmembranen eingesetzt, da sie eine hohe Selektivität für Wasserstoffisotope aufweisen.
• Vanadium (V) und Vanadiumlegierungen – zeigen eine hohe Wasserstoffdurchlässigkeit und geringe Neutronenaktivierung, was sie für Tritiumextraktionssysteme geeignet macht.
• Eisen-Chrom-Aluminium-(Fe-Cr-Al)-Legierungen – bieten eine hohe Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und gewährleisten eine langfristige Haltbarkeit in Tritiumumgebungen.

Hochentwickelte Keramiken und Verbundwerkstoffe für Fusionsanwendungen

Neben Metallen spielen Keramiken und Verbundwerkstoffe eine entscheidende Rolle bei Isolations-, Abschirmungs- und Strukturanwendungen in Fusionsreaktoren:

• Beryllium (Be) – ein Leichtmetall, das in Tritiumbrutsystemen als Neutronenvervielfacher verwendet wird. Obwohl es keine Keramik ist, wird Berylliumoxid (BeO) aufgrund seiner thermischen und elektrischen Isoliereigenschaften gelegentlich in Hochtemperaturanwendungen eingesetzt.
• Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Zirkonoxid (ZrO₂) – werden für thermische Isolierung und elektrische Abschirmung verwendet.
• Siliciumcarbid-(SiC)-Verbundwerkstoffe – werden als strahlungsbeständige Strukturmaterialien erforscht, da sie eine geringe Neutronenaktivierung und hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen.

Warum Advent Research Materials für die Fusionsforschung wählen?

• Hochreine Materialien – Wir liefern Forschungsqualitäts-Metalle, Legierungen und Keramiken, die für extreme Fusionsbedingungen ausgelegt sind.
• Vielfältiges Produktsortiment – Von plasmaexponierten Materialien bis hin zu Lösungen für das Isotopenmanagement bieten wir eine umfassende Auswahl an für die Fusion geeigneten Werkstoffen.
• Vertrauenswürdiger Partner führender Forschender – Wir beliefern akademische Einrichtungen, Energieforschungszentren und Branchenpioniere in der Plasmaphysik, Kernmaterialforschung und Hochenergieanwendungen.

Die Zukunft sauberer Energie ermöglichen

Die Fusionsenergie hat das Potenzial, die weltweite Energieerzeugung neu zu definieren und eine nahezu unbegrenzte Quelle sauberer, nachhaltiger Energie zu bieten. Durch die Bereitstellung entscheidender Materialien für die Entwicklung von Fusionsreaktoren unterstützt Advent Research Materials Wissenschaftler, Ingenieure und Energiepioniere, die auf die kommerzielle Nutzung der Fusionsenergie hinarbeiten.

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