Kernfusion: Warum die Grenzflächen bei 3D-gedrucktem Stahl entscheidend sind
Kernfusion stellt extreme Anforderungen an Materialien. Neue Studien zeigen, warum Grenzflächen in 3D-gedrucktem Stahl über Sicherheit und Lebensdauer entscheiden.
Vorbild für die Fusionsenergie der Zukunft: Der inzwischen stillgelegte JET-Tokamak-Versuchsreaktor in Großbritannien. Die untersuchten 3D-Materialien könnten in ähnlicher Form auch in künftigen Reaktoren wie ITER zum Einsatz kommen. JET steht für "Joint European Torus ", er stand unter der Oberaufsicht der britischen Atomaufsichtsbehörde (United Kingdom Atomic Energy Authority: UKAEA).
Foto: Copyright: UKAEA, courtesy of EUROfusion
Welches Material auch immer im Inneren eines Kernfusionsreaktors eingesetzt werden soll: Es muss extrem hohe Temperaturen und intensive Strahlung klaglos aushalten. Hinzu kommen mechanische Lasten. Oft bestehen Anlagenteile daher aus einem Materialmix. Unter einer schützenden Oberfläche folgt ein komplexer Aufbau, zum Beispiel mit Kühlungsstrukturen. Das bringt in den letzten Jahren den 3D-Druck ins Spiel, um diese Hightechkomponenten zu fertigen. Doch der schichtweise Aufbau hat unter den extremen Bedingungen der Kernfusion seine ganz eigenen Probleme.
Am Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy) und dem schweizerischen Paul Scherrer Institut (PSI) haben sich Forschungsteams 3D-Druck-Komponenten daher mal unter die Lupe genommen. Sie haben geschaut, wo und wie sich Mikrostrukturen in additiv gefertigten Materialien für zukünftige Fusionsreaktoren bilden. Mithilfe von Synchrotron- und Neutronenmethoden entdeckten sie unerwartete und unerwünschte Phasen im Inneren 3D-gedruckter Stähle. Da sie aber auch jetzt wissen, wie welche Prozesse an den Grenzflächen verschiedener Materialien ablaufen, haben sie auch Tipps parat, wie sich diese unerwünschten Effekte durch den 3D-Druckprozess beeinflussen lassen.
Inhaltsverzeichnis
- Was 3D-gedruckte Bauteile in der Kernfusion so speziell macht
- Grenzflächen zwischen Wolfram und Stahl
- Röntgenstrahlen entlocken dem 3D-Druck seine innersten Geheimnisse
- Zwei Überraschungen warten an den Grenzflächen der 3D-Druckschichten
- Wie lässt sich diese Grenzfläche beherrschen?
- Was bedeutet das für künftige Fusionsbauteile?
Was 3D-gedruckte Bauteile in der Kernfusion so speziell macht
Beim 3D-Druck entsteht nicht nur eine Form. Es entsteht auch ein Gefüge, es entstehen Materialschichten, die sich verbinden. Und dieses Gefüge entscheidet mit darüber, ob ein Bauteil später zuverlässig funktioniert. Kritisch dabei sind die Grenzflächen zwischen den einzelnen Schichten. Wie die aussehen, was sich beim 3D-Druck dort ausbildet – oder auch nicht -, entscheidet darüber, ob das Bauteil nachher im Inneren eines Kernfusionsreaktors funktioniert. Oder nicht. Welche Kristallphasen bilden sich aus? Wie groß sind die Körner? Wo entstehen Spannungen? Gibt es spröde Zwischenphasen? Für Bauteile im Fusionsreaktor sind dies essenzielle Fragen, deren Antworten über Lebensdauer und Sicherheit entscheiden.
Konkret haben sich die Teams des Desy und des PSI zwei Fusionsreaktorbauteile vorgenommen: Brutblankets und Divertoren. Beide gelten als zentrale Komponenten eines Fusionskraftwerks.
- Der Divertor führt Wärme, Heliumasche aus der Fusionsreaktion und Verunreinigungen aus dem Plasma aus dem Reaktorinneren ab.
- Das Brutblanket ist eine Art Mantel ums Plasma. Es bremst Neutronen aus der Fusion, macht ihre Energie als Wärme nutzbar und hilft, Lithium in den Brennstoff Tritium umzuwandeln.
Die Ergebnisse der Untersuchungen liefern nach Angaben der Institute „wichtige Einblicke in die Entstehung von Mikrostrukturen und Spannungen in additiv gefertigten Materialien für Fusionsreaktoren“. Dieses Wissen könne helfen, den 3D-Druck von Metallen gezielt für diese Anwendung zu optimieren und die Zuverlässigkeit solcher Bauteile zu verbessern.
Grenzflächen zwischen Wolfram und Stahl
Im Mittelpunkt der aktuellen Studie standen Bauteile, die durch metallischen 3D-Druck entstanden sind, genauer durch das Laser-Pulverbettverfahren (PBF-LB/M). Dabei wird Metallpulver dünn aufgetragen, lokal mit einem Laser aufgeschmolzen und dieses erstarrt anschließend rasch.
Für den Einsatz in der Kernfusion kommt dabei ein spezieller Edelstahl in Kombination mit Wolfram zum Einsatz. Wolfram gilt als ein vielversprechender Kandidat für Bauteile, die direkt dem heißen Plasma von Kernfusionsreaktoren ausgesetzt sind. Als alleiniger Werkstoff für größere Strukturen gilt er aber als problematisch: Wolfram ist spröde und kann unter thermischen Lasten reißen. Im Inneren eines Kernfusionsreaktors favorisiert die Wissenschaft daher ein kombiniertes Bauteil: außen eine Schutzschicht aus Wolfram, Stahl darunter trägt die Struktur.
Bei dem Stahl handelt es sich um Edelstahl AISI 415, ein nichtrostender martensitischer Chrom-Nickel-Edelstahl mit Molybdänzusatz. Dessen Mikrostruktur besteht hauptsächlich aus den Stahlphasen Ferrit und Martensit. Ferrit und Martensit sind Kristall- und Gefügeformen des Stahls. Sie bestimmen, vereinfacht gesagt, wie hart, zäh, temperaturstabil und strahlungsbeständig er ist. Ferritisch-martensitische Stähle gelten als Kandidaten für Strukturbauteile in der Kernfusion, weil sie unter Bestrahlung vergleichsweise günstig altern können.
Röntgenstrahlen entlocken dem 3D-Druck seine innersten Geheimnisse
Besonders wichtig ist die Grenzfläche zwischen beiden Materialien. Genau dort können während des 3D-Druckprozesses komplexe Mikrostrukturen entstehen. Die wiederum beeinflussen entscheidend die Eigenschaften von Material und Bauteil. Das Desy und das PSI setzten jetzt hochauflösende Röntgenmethoden ein (Mikro-Röntgenbeugung – μXRD). Die Auflösung des Verfahrens liegt im Bereich von Mikrometern (µm). Gerald Falkenberg, Leiter der Desy-Beamline P06, sagt dazu, man könne so „direkt in das Innere“ solcher Materialien blicken.
Auf diese Art und Weise lassen sich die inneren Spannungen im Kristallgitter eines Werkstückes messen. Die sind zwar winzig, aber eben messbar. Die Messung zeigt dann, wo Zug- oder Druckspannungen sitzen. Bei der Stahl-Wolfram-Probe ist das zentral, denn Wolfram und Stahl verhalten sich unter Wärmeeinfluss verschieden. Also auch beim Abkühlen, nachdem eine Schicht beim 3D-Druck aufgetragen und mit dem Laser aufgeschmolzen wurde. Dadurch entstehen Restspannungen im Inneren, die sich aufzeigen lassen.
Zwei Überraschungen warten an den Grenzflächen der 3D-Druckschichten
Der Blick in den Mikrometerbereich offenbarte eine Überraschung: An der Grenzfläche bildete sich eine sogenannte intermetallische Phase aus Wolfram und dem im Stahl vorhandenen Eisen aus. In der aktuellen Arbeit identifizierte das Team vor allem die Phase Fe₇W₆. Intermetallische Phasen sind Metallverbindungen, oft hart, aber spröde. Treten sie an einer Grenzfläche auf, kann eine solche spröde Zone zur Schwachstelle werden.
Zweite Überraschung: In der Region der Grenzflächen ließ sich Restaustenit nachweisen. Austenit ist eine Hochtemperaturform von Eisen. Beim Abkühlen wandelt sie sich normalerweise wieder um. Bleibt ein kleiner Anteil erhalten, spricht man von Restaustenit. Auch dieses Material kann die mechanischen Eigenschaften des Bauteils beeinflussen. Der Restaustenit findet sich in Mustern, die mit der Bahn des Lasers zusammenhängen, lokal bis zu 0,5 Gewichtsprozent. Die Menge hänge vor allem von der während der Laserbearbeitung in das Material eingebrachten Energie ab, heißt es in der Mitteilung beider Institute.
„Die Mikrostruktur additiv gefertigter Metalle ist oft komplexer als erwartet“, sagt Ken Vidar Falch, Desy-Wissenschaftler und Mitautor der Studien. „Durch die Kombination mehrerer hochauflösender Methoden können wir diese Strukturen heute deutlich genauer untersuchen und verstehen, wie sie durch die Prozessbedingungen beeinflusst werden.“
Wie lässt sich diese Grenzfläche beherrschen?
Die Studie zeigt, wie sich die Bildung der unerwünschten Fe₇W₆-Phase durch eine gezielte Anpassung der Energiezufuhr während des Druckprozesses – im Sinne einer schichtweisen Energiegradientenstrategie – deutlich reduzieren lässt. Die wichtigste Stellschraube ist die Laserenergie. Wolfram braucht beim Drucken mehr Energie als Stahl. Wird diese Energie abrupt eingebracht, mischen sich beide Materialien stärker, die spröde Zwischenzone kann wachsen. Die Forschenden testeten deshalb eine Energiegradientenstrategie. Dabei ändert sich die Laserenergie nicht schlagartig, sondern wird schichtweise angepasst. Das Ergebnis ist technisch relevant: Die Energiegradientenstrategie verringerte die Bildung der Fe₇W₆-Phase deutlich.
Die Experimente an Desy und PSI lieferten Einblicke in das Vorhandensein des Restaustenits, der aufgrund seiner geringen Menge und seiner Metastabilität mit anderen Methoden nicht nachgewiesen werden konnte. „Die Mikrostruktur additiv gefertigter Metalle ist oft komplexer als erwartet“, sagt Ken Vidar Falch, Desy-Wissenschaftler und Mitautor der Studien. „Durch die Kombination mehrerer hochauflösender Methoden können wir diese Strukturen heute deutlich genauer untersuchen und verstehen, wie sie durch die Prozessbedingungen beeinflusst werden.“
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Was bedeutet das für künftige Fusionsbauteile?
Die Arbeiten zeigen, worauf die Materialentwicklung bei 3D-gefertigten Bauteilen für die Kernfusion achten muss. Innere Phasen, Kornstrukturen und Restspannungen gilt es zu kontrollieren.
„In Zukunft möchten wir auch für andere 3D-gedruckte Multimaterialien die Bildung von Nebenphasen im Grenzflächenbereich dreidimensional untersuchen, wofür eine höhere räumliche Auflösung erforderlich sein wird“, sagt Malgorzata Grazyna Makowska. „Mit Petra IV werden wir solche Mikrostrukturen künftig wesentlich schneller und mit deutlich höherer Empfindlichkeit und Auflösung untersuchen können“, ergänzt Falkenberg. Petra IV ist das nächste Technologie-Upgrade des Desy. „Damit können wir additive Fertigungsprozesse und ihre Auswirkungen auf die Materialstruktur erstmals systematisch und in drei Dimensionen analysieren.“
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