Kernfusion: So soll der Reaktormantel länger als wenige Monate halten

Für den Bau von Kernfusionsanlagen, die dauerhaft Energie liefern, muss nicht nur der Fusionsprozess an sich gemeistert werden. Auch die Materialien machen den Konstrukteuren zu schaffen - allerdings könnten MIT-Forscher hier nun eine Lösung gefunden haben.

Strahlungsbeschuss mildern

Ein zentrales Problem bei der Kernfusion, die als potenziell saubere und nachhaltige Energiequelle gilt, besteht in der Belastung der Reaktorgefäße durch Heliumatome. Diese Atome entstehen während der Fusionsreaktion und können die Ummantelung bereits nach sechs Monaten so stark beschädigen, das der Reaktor nicht mehr weiter genutzt werden kann.

Denn im Inneren der Systeme entstehen extrem hohe Temperaturen, die höher sind als die der Sonne. Dabei werden Neutronen mit hoher kinetischer Energie freigesetzt, die nicht nur Strahlungsschäden verursachen, sondern auch zusätzlich Wärme erzeugen. Diese Wärme kann zwar durch ein Kühlmittel abgeführt und zur Stromerzeugung genutzt werden, aber die Trennung von Kühlmittel und Plasma stellt eine große technische Herausforderung dar. Zudem dringen die Neutronen tief in die Wände des Reaktorgefäßes ein und führen zur Bildung von Heliumatomen, was die Struktur des Metalls schwächt.


Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben nun aber eine innovative Lösung zur Verbesserung der Lebensdauer von Kernfusionsreaktoren entwickelt, indem sie Nanopartikel bestimmter Keramikverbindungen einsetzen. Diese Nanopartikel sollen die Wände der Reaktorgefäße auskleiden und deren Haltbarkeit erheblich verlängern.

Ein Team unter der Leitung von Ju Li, Professorin für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen am MIT, verfolgt mit ihrer Forschungsarbeit das Ziel, die Heliumatome besser zu verteilen, damit sie sich nicht mehr an den Schwachstellen des Metalls sammeln. Nach der Untersuchung von etwa 50.000 Verbindungen entschieden sich die Forscher für die Verwendung von Eisensilikat.

Akzeptanz statt Vermeidung

Dieses Material erfüllt alle Anforderungen: Es ist mechanisch robust, reagiert nicht mit dem Metall des Reaktors, wird durch die Absorption von Neutronen nicht radioaktiv und bietet genügend "freien Raum" für die Einbettung von Heliumatomen. Durch den Einsatz von Eisensilikat entlang der Innenwände des Reaktorgefäßes konnten die Forscher die Bildung von Heliumblasen deutlich reduzieren. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits ein Anteil von nur einem Prozent Eisensilikat das Aufkommen von Heliumblasen halbiert und deren Durchmesser um 20 Prozent verringert.

Zusätzlich haben die Forscher Eisensilikatpulver entwickelt, das mit 3D-Druckern kompatibel ist, um die Herstellung von stabileren Reaktorgefäßen zu ermöglichen. Diese Entwicklung könnte einen entscheidenden Beitrag zur Verlängerung der Lebensdauer von Fusionsreaktoren leisten und damit die Kernfusion irgendwann tatsächlich sinnvoll als nachhaltige Energiequelle genutzt werden kann, ohne dass man den Reaktor alle paar Monate komplett auseinanderbauen muss, um die Innenwände zu erneuern.


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