10/01/2012 - Neue Werkstoffe für Kernfusionsreaktoren

Menéame

Wissenschaftler an den Universitäten Carlos III. in Madrid (UC3M), Oxford (Vereinigtes Königreich) und Michigan (USA) arbeiten gemeinsam an der Entwicklung neuer Werkstoffe für Kernfusionsreaktoren.

Seine Forschung konzentriert sich auf die Charakterisierung von Stahl mit verringerter Aktivierung, die durch Oxiddispersion für die Reaktorstruktur verhärtet wird.

Die Kernfusion verspricht eine mögliche Lösung für die derzeitige Energiekrise. Es tritt auf, wenn zwei Atomkerne von leichten Elementen zusammenkommen, um schwerere Elemente zu verursachen, so dass sie eine Menge Energie abwerfen. Damit diese Reaktion auftreten kann, ist eine große Energiezufuhr erforderlich, so dass Temperaturen in der Größenordnung von mehreren zehn Millionen Grad erreicht werden, die den Kernen erlauben, sich so nahe zu kommen, dass sie ihre natürliche Abstoßung überwinden und sich im Plasmazustand kondensieren. "Dieses Plasma, das ähnliche Temperaturen wie die Sterne, etwa 100 Millionen Grad, erreicht, berührt die Reaktorwände nicht, weil es schmelzen würde," erklärt eine Forscherin, die an diesem Projekt arbeitet, Vanessa de Castro, der Physikabteilung der UC3M. Um das Plasma einzugrenzen, schwebt es im Reaktor, der durch Magnetfelder unterstützt wird. "Dennoch müssen die Wände sehr hohen Temperaturen und den Auswirkungen der Bestrahlung der Neutronen aus der Reaktion standhalten, weshalb wir neue Materialien produzieren müssen, die diese extremen Bedingungen unterstützen," sagt Professorin.

Das (im Bau befindliche) ITER-Projekt und sein Nachfolger DEMO (voraussichtlich für das Jahr 2035) sollen wirtschaftlich lebensfähige Fusionsreaktoren entwickeln. Diese Aufgabe hängt unter anderem von der Entwicklung dieser neuen Strukturmaterialien ab, die die Strahlenschäden und die hohen Temperaturen, die sich aus der Fusionsreaktion ergeben, tragen können. Die wissenschaftliche Gemeinschaft hat begonnen, neue Materialien mit geringer Aktivierung für den Einsatz in diesen Reaktoren zu entwickeln, aber es ist noch nicht bekannt, ob eines dieser Materialien unter solchen feindlichen Bedingungen lebensfähig sein wird. Einer der wichtigsten Kandidaten in diesem Zusammenhang sind die oxidverstärkten Eisen- und Stahlwerke mit geringer Aktivierung, die als ODS-Stahl bezeichnet werden.

Das mechanische Verhalten der ODS-Stähle hängt stark von ihrer Mikrostruktur ab, die bisher noch nicht streng kontrolliert wurde. Bis vor kurzem konzentrierten sich die Studien über die Mikrostruktur dieser Stahlwerke auf die mikrometrische Skala. Die Nanoskala ist jedoch für das Verständnis der Phänomene, die unter Bestrahlung auftreten, am wichtigsten. "Wir nutzen nun unser Wissen über Kernstrukturmaterialien und fortschrittliche Nanoanalysetechniken, um verschiedene ODS-Stähle der neuen Generation auf Nanoebene zu charakterisieren," so die Forscher, die diese Nanopartikel (zwischen 1 und 50 nm) hinzugefügt haben, die dazu beitragen, die mechanischen Eigenschaften zu verbessern und ihre Widerstandsfähigkeit zu erhöhen. Die Forschungsergebnisse wurden vor kurzem in einer Sonderausgabe des Magazins veröffentlicht. Material Science and Technology der Charakterisierung von Stählen auf atomarer Ebene gewidmet.

Die Charakterisierung dieser Materialien erfolgt mit Hilfe von Nano-Skala-Techniken. Mit einem elektronischen Übertragungsmikroskop kann man zum Beispiel die Partikel sehen, die dem Material eines Nanometers (auch die kleinsten) hinzugefügt werden (ein Milliliter). Auf diese Weise kann untersucht werden, ob die Partikelverteilung optimal ist, welche chemische Zusammensetzung sie haben oder ob dadurch bessere Materialien gewonnen werden oder die Wechselwirkung dieser Partikel mit den Defekten im Material verbessert wird. "Daher ziehen wir die Informationen, die es uns ermöglichen zu erklären, warum sich das Material auf die eine oder andere Weise verhält, denn die Tatsache, dass es schlechte mechanische Eigenschaften hat, könnte damit zusammenhängen, dass die Partikel nicht gut verteilt sind," so Professor Vanessa de Castro vom STRUMAT. Das Konsortium für fortgeschrittene Strukturmaterialien, bestehend aus fünf Forschungsgruppen von vier Universitäten und einem Forschungsinstitut der Gemeinschaft von Madrid, soll einen Rahmen für wissenschaftliche und technische Aktivitäten im Bereich fortgeschrittener Strukturmaterialien für Anwendungen in der Ingenieurwissenschaften bieten.

Diese vom Ministerium für Wissenschaft und Innovation finanzierte Forschung konzentriert sich auf die Untersuchung von Nanopartikeln von Oxide in diesen Stahlen und auf Strahlenschäden in diesen Materialien. Die bisher durchgeführten Analysen zeigen beispielsweise, dass die Partikel eine Struktur des Typs besitzen. core-shell bestehend aus einem Kern reich an Itrio (Y), umgeben von einem Bereich angereichert in Chrom (Cr).

Weitere Informationen:

Titel: Analytical characterisation of oxyde dispersion strengthened steels for fusion reaktors
Autores: de Castro, V. Lozano-Pérez, S. Marquis, E. A Auger, M. A. Leguey, T. Pareja, R.
Fuente: Material Science and Technology. Volumen: 27 Número: 4 Páginas: 719-723
ISSN: 0267-0836

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