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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Hochtemperatur-Werkstoffverbunde

Plasmabelastete Materialien für thermonukleare Fusionsanlagen

Team 2014

Kontrollierte thermonukleare Fusion als Langzeitenergiequelle rückt aufgrund der unbeschränkten Ressourcen und des extrem niedrigen CO2-Outputs mehr und mehr in den Fokus des Interesses. Mit ITER, dessen Arbeitsprinzip auf dem magnetischen Einschluss des Plasmas basiert, tritt die Fusion nun in eine neue Phase ein, um ihre technische und ökonomische Machbarkeit zu demonstrieren.

Der Kernfusionsprozess wird durch einen extrem hohen Energieoutput charakterisiert, der im Bereich einiger MeV pro Nukleon liegt. Aus diesem Grund ist die Energiedichte und damit die thermische Belastung der plasmabelasteten Wand in Fusionsreaktoren, im Vergleich zu fossilen Energieträgern oder anderen Energiewandlungssystemen wesentlich höher. Dies stellt hohe Anforderungen an die Materialien, insbesondere an deren Hochtemperaturbeständigkeit, die u. a. eine hohe Wärmeleitfähigkeit erfordert. Die Konstruktion eines Fusionsreaktors mit ermüdungsresistenten plasmabelasteten Komponenten, die Wärmeflüssen bis ca. 20 MW/m² und kurzen transienten Belastungen im GW/m²-Bereich ausgesetzt sind, ist eine der großen Herausforderungen im Bereich der Fusionstechnologie. Zusätzlich treten auf den Komponenten der Inneren Wand hohe Neutronenflüsse auf, denen die Materialien widerstehen müssen, ohne dabei in inakzeptabler Weise aktiviert oder geschädigt zu werden.

Eines der Hauptziele unserer Forschungsaktivitäten ist die Entwicklung neuer Materialien, Beschichtungen und Verbindungen, sowie deren Charakterisierung bezüglich ihrer thermischen und mechanischen Eigenschaften in einem weiten, der Arbeitsumgebung entsprechenden, Temperaturbereich. Ein weiterer Schwerpunkt unserer Forschungs- und Entwicklungsarbeit ist die Ermittlung des Verhaltens und der Schädigung von plasmabelasteten Materialien und Komponenten unter fusionsrelevanten Wandbelastungen und Neutronenflüssen.

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