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3D-gedruckte Wolframkomponenten für die Effizienzsteigerung von Fusionsreaktoren

Am 30. Mai 2024 von Kaja F. veröffentlicht

Die Fusionsenergie könnte einen wichtigen Beitrag zum Energiebedarf der Menschheit leisten. Im Gegensatz zur Kernspaltung gibt es jedoch bis heute noch keinen wirtschaftlich arbeitenden Fusionsreaktor, da die Technologie mehrere Schwierigkeiten mit sich bringt. Durch die intensive Neutronenbestrahlung unterliegen die Materialien einer extremen Belastung und damit einhergehenden Gefahr der Versprödung. 3D-gedruckte Wolframteile könnten hier als Material einen Fortschritt bringen. Wissenschaftler der weltweit führenden Forschungseinrichtung Oak Ridge National Laboratory haben erste fehlerfreie Komponenten, die extremen Temperaturen und Bedingungen in Fusionsreaktoren widerstehen, additiv hergestellt. Die Herstellung komplexer Wolframkomponenten mit anspruchsvollen Geometrien erfolgte mithilfe der additiven Elektronenstrahfertigung

Die Schwierigkeiten der Fusionstechnologie liegen vor allem in den hohen Anforderungen an die verwendeten Materialien, da diese drastischen Temperaturen und intensiver Energie standhalten müssen. Wolfram ist aufgrund seines hohen Schmelzpunktes ideal für Fusionsreaktoren, in denen Plasmatemperaturen über 180 Millionen Grad Fahrenheit herrschen. Das Schwermetall ist jedoch bei Raumtemperatur und in seiner reinen Form spröde und leicht zerbrechlich. Bereits bei geringen Verunreinigungen verändert sich das Metall und wird brüchig. 

Wolframkomponenten

Wolfram ist ein weißglänzendes Schwermetall mit hoher Dichte und besitzt den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle mit 3422°C. (Bild: Heinrich Pniok via Wikimedia Commons)

Die Lösung gegen die Versprödung ist ein Elektronenstrahl-3D-Drucker, der Wolfram Schicht für Schicht in präzise Formen aufträgt. Um das Metallpulver zu schmelzen und zu einem festen Metallobjekt zu verbinden, verwendet die Technologie einen magnetisch gerichteten Partikelstrom in einem Hochvakuumsgehäuse. Das Vakuum reduziert Verunreinigungen durch Fremdmaterial sowie die Bildung von Eigenspannungen. „Die additive Fertigung mit Elektronenstrahlen ist vielversprechend für die Verarbeitung komplexer Wolframgeometrien“, sagte Michael Kirka vom ORNL, „Dies ist ein wichtiger Schritt zur Ausweitung der Nutzung temperaturbeständiger Metalle in Energieressourcen, die eine nachhaltige, kohlenstofffreie Zukunft unterstützen werden.“ 

Der Erfolg der Forscher an der Manufacturing Demonstration Facility des ORNL, unterstützt durch das Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office des DOE, könnte in Zukunft die Sicherheit und Produktivität von Fusionsreaktoren verbessern und eine leistungsstarke Alternative zu Kernreaktoren bieten. Darüber hinaus könnte dies durch die Reduzierung von Kohlenstoffemissionen einen bedeutenden Schritt in Richtung nachhaltige Energieerzeugung darstellen und auch  für andere Hochtemperaturanwendungen von Interesse sein sein. Mehr über die Herstellung der Wolframkomponenten erfahren Sie HIER.

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*Bildnachweise: Oak Ridge National Laboratory und Heinrich Pniok

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