Broschüre "Kernfusion" - KIT - PL FUSION

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3.6. Werkstoffe für die Fusion
Die Materialentwicklung für zukünftige
Fusionskraftwerke umfasst eine
Vielzahl von Werkstoffen. Schwerpunktmäßig
befasst sich das Forschungszentrum
Karlsruhe mit der
Entwicklung von Strukturwerkstoffen,
die einen entscheidenden Einfluss
auf die Auslegung fast aller plasmanahen
Komponenten ausüben und
somit für Langlebigkeit, Wirkungsgrad,
Wirtschaftlichkeit, Sicherheit
und Entsorgung von grundlegender
Bedeutung sind. Langfristig gesehen
sind Strukturwerkstoffe zu entwickeln,
die einer komplexen Überlagerung
intensiver Neutronen- und Wärmestrahlung,
Brut- und Kühlmitteleinflüssen
und thermisch-mechanischer
Wechselverformung über viele
Jahre hinweg standhalten und darüber
hinaus umweltschonende radiologische
Eigenschaften haben.
Neben den klassischen Eigenschaften
eines Werkstoffes hinsichtlich Thermophysik,
Mechanik, Korrosion und
Kompatibilität mit anderen Materialien,
zum Beispiel Brutkeramik und
Beryllium, stellen die für einen Fusionsreaktor
typische hochenergetische
Neutronen- und Gammastrahlung
sowie die Wärmebelastung besondere
Anforderungen.
Die hochenergetischen Fusionsneutronen
durchdringen Strukturmaterialien
und führen durch Wechselwirkungen
mit den Gitteratomen zur
so genannten Verlagerungsschädigung,
welche ihrerseits makroskopische
Werkstoffeigenschaften wie Kriechund
Ermüdungsbeständigkeit, Duktilität,
Versprödungsfestigkeit, Bruchzähigkeit
oder Korrosionseigenschaften
deutlich verschlechtern kann. Als
ein Maß der Verlagerungsschädigung
gilt die Zahl der Verlagerungen pro
Gitteratom (displacement per atom,
dpa). Schließlich führen hohe Neutronenenergien
zu Kernumwandlungsreaktionen,
bei denen die versprödungswirksamen
Elemente Wasserstoff
und Helium in signifikanten
Konzentrationen anfallen. Die neutronen-induzierte
Schädigung der
Ersten Wand eines Leistungsreaktors
wird sich in metallischen Werkstoffen
auf typischerweise 20 dpa, etwa
200 appm (atomic parts per million)
Helium und 1000 appm Wasserstoff
pro Betriebsjahr belaufen, so dass
allein schon aufgrund der Neutronenbestrahlung
hohe Anforderungen an
Strukturmaterialien eines Fusionskraftwerks
zu stellen sind. Eine dem
entsprechende Werkstoffauswahl und
Entwicklung basiert derzeit auf
Simulationsbestrahlungen in Spaltreaktoren
und Leichtionenbeschleunigern
sowie auf Modellrechnungen
und entsprechenden Extrapolationen.
Zur endgültigen Qualifizierung der
Werkstoffe für ein Fusionskraftwerk
ist jedoch eine Neutronenquelle erforderlich,
die ein fusionstypisches
Neutronenspektrum erzeugen kann.
Ein wesentliches Entwicklungsziel
ist das schnelle Abklingen der bestrahlungs-induzierten
Aktivierung.
Ein besonderer Vorteil der Fusionstechnologie
ist das völlige Fehlen
spaltbarer schwerer Elemente und die
damit einhergehende Bildung sehr
langlebiger und zum Teil weiterhin
spaltbarer Radioisotope. Damit verbleibt
im Fusionskraftwerk als wesentliche
Quelle für die Bildung von
Radioaktivität der Neutroneneinfang
in plasmanahen Strukturwerkstoffen.
Da unter Neutronenbestrahlung unterschiedliche
Isotope auch um Größenordnungen
unterschiedliche Aktivierbarkeiten
und Abklingzeiten
(Halbwertzeiten) aufweisen, ist die
Entwicklung darauf ausgerichtet, die
Zusammensetzung der Werkstoffe so
zu gestalten, dass sie möglichst nur
aus Elementen mit geringer Langzeitaktivierung
bestehen. Probleme der
Rezyklierung, Stilllegung und Endlagerung
werden damit von Anfang
an grundlegend entschärft.
Die genannten Anforderungen haben
zu einer weltweiten Konzentration
der Werkstoffentwicklung auf im Wesentlichen
drei Werkstoffklassen geführt:
Reduziert aktivierbare ferritisch-martensitische
Stähle (RAFM): Konventionelle
ferritisch-martensitische 9-
12%CrMoV(Nb)-Stähle sind in der
Reaktortechnologie u.a. als Strukturwerkstoffe
von Brennelementen in
schnellen Brütern für einen Temperaturbereich
von etwa 400 bis 550
Grad Celsius entwickelt worden.
Hochdosisbestrahlungen bis 145 dpa