Tritium ist ein kostbarer Rohstoff für die Energiegewinnung durch Kernfusion. Um dessen Verlust in künftigen Fusionskraftwerken zu verhindern, entwickeln das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS und das Max-
Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) neuartige Schutzschichten. Das gemeinsame Forschungsprojekt TritiumStopp zielt auf hocheffektive Diffusionsbarrieren, die auch unter extremen Bedingungen standhalten.
Die kontrollierte Fusion von Wasserstoffisotopen gilt als Hoffnungsträger für eine saubere und sichere Energiezukunft. Tritium spielt dabei eine zentrale Rolle als Brennstoff. Sein ungewollter Austritt aus Reaktorwänden oder Rohrleitungen wäre nicht nur teuer, sondern auch sicherheitsrelevant. Die Herausforderung: Tritiumatome sind so klein, dass sie sich selbst durch Metallstrukturen hindurchbewegen können – ein Phänomen, das als Permeation bezeichnet wird.
Im Projekt TritiumStopp werden Beschichtungen entwickelt, die den Eintritt von Tritium in verschiedenste metallische Komponenten verhindern und damit die Verluste in Fusionsanlagen minimieren (© Fraunhofer IWS)
Schichtsysteme mit Industrieerfahrung
Das Projekt TritiumStopp – Permeationsdichte Schichtsysteme als Tritium-Barrieren in Fusionsanwendungen setzt auf dünne Barriereschichten, die Tritium am Durchdringen hindern. Anders als bisherige Forschungsansätze greift das Fraunhofer IWS auf Schichttechnologien zurück, die sich bereits in industriellen Hochleistungsanwendungen bewährt haben – etwa als Verschleißschutz auf stark beanspruchten Werkzeugen. Unsere Schichten basieren auf etablierten PVD-Verfahren und lassen sich mit industriereifer Technik auf reale Kraftwerkskomponenten aufbringen, erklärt Dr. Volker Weihnacht vom Fraunhofer IWS.
Die Forscher untersuchen verschiedene Schichttypen – darunter Metallnitride, Oxide und diamantartige Kohlenstoffe – auf ihre Barrierewirkung. Die Tests erfolgen unter Bedingungen, wie sie im Fusionskraftwerksbetrieb zu erwarten sind: mechanischer Stress, thermische Wechselbeanspruchung und insbesondere Neutronenstrahlung. Ziel ist es, nicht nur kurzfristige Schutzwirkung nachzuweisen, sondern auch die Langzeitstabilität der Schichten zu verstehen.
Die REM-Aufnahme zeigt im Querschnitt eine potenzielle Barriereschicht eines Multilagensystems aus Titannitrid (TiN) und Chromnitrid (CrN)(© Fraunhofer IWS)
Materialdiagnostik und Messplätze im Fokus
Ergänzend zu diesen Tests führen die Forschenden detaillierte Analysen durch. Wir bringen langjährige Erfahrung darin mit, nachzuverfolgen, wie sich Wasserstoffisotope in Fusionsmaterialien ausbreiten, erläutert Dr. Armin Manhard vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching. An mehreren Permeations-Messplätzen werden systematische Untersuchungen durchgeführt, unterstützt durch hochauflösende Diagnostikmethoden. So sollen werkstoffphysikalische Zusammenhänge aufgeklärt und die Wirkung einzelner Prozessparameter präzise verstanden werden.
Im Fokus der Untersuchung stehen metallische Komponenten, zum Beispiel Leitungen, die mit Barriereschichten ausgestattet werden sollen (© Daniel Viol/Fraunhofer IWS)
Neben den wissenschaftlichen Erkenntnissen will das Projekt konkrete Konzepte für die Übertragung der Technologie auf Komponenten für den Einsatz in Kraftwerken liefern. Die Forschenden denken dabei von Anfang an mit, wie sich die Ergebnisse später in die Praxis überführen lassen – etwa in Form großflächiger Beschichtungen oder integrierter Schutzsysteme.
Forschungspartner
Das Fraunhofer IWS entwickelt innovative Werkstoffe und Technologien, um Tritium in Fusionsanlagen sicher zu handhaben – etwa durch spezielle Oberflächenbeschichtungen, Tritiumbarrieren und Recyclingverfahren.
Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) untersucht in diesem Projekt die Barrierewirkung der Schichten, insbesondere durch Permeationsversuche. Es übernimmt zudem mit seinem Tandem-Beschleuniger das Einbringen von Strahlenschäden ins Material sowie dessen Analyse mittels Ionenstrahlen.
- www.iws.fraunhofer.de
