Kernfusion: Deutsche Forscher wollen ein Problem lösen, an dem die Welt bisher scheitert
Wolfram soll die Innenwände von Fusionsreaktoren schützen. Doch das Metall lässt sich nicht in dünnen Schichten auftragen: Bis jetzt hat das kein Labor geschafft. Ein Stuttgarter Forschungsteam will das ändern.
Das Innere des ASDEX Upgrade am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching: Die Wände sind mit wolfram-beschichteten Ziegeln ausgekleidet. Sie müssen Belastungen von bis zu 10 MW/qm² standhalten.
Foto: MPI für Plasmaphysik/V. Rohde
Die Innenwände eines Fusionsreaktors müssen Belastungen aushalten, die in der Technik ihresgleichen suchen: Bis zu 10 MW/m² treffen auf die Fläche, die dem über 100 Mio. °C heißen Plasma am nächsten ist. Kein gewöhnliches Material überlebt das. Eines der wenigen, das infrage kommt, ist Wolfram. Sein Schmelzpunkt liegt bei über 3000 °C.
Allerdings ist es schwer zu verarbeiten und selten: Gerade einmal ein Millionstel der Erdkruste besteht daraus. Ganze Bauteile aus dem Metall zu fertigen, wäre weder wirtschaftlich noch praktikabel. Die Lösung liegt in einer dünnen Schutzschicht auf einem einfacher handhabbaren Trägermaterial, wie sie seit Januar das Fraunhofer IPA, das Max-Planck Institut für Plasmaphysik (IPP) und der Spezialelektrolyt-Hersteller IoLiTec im Projekt „GalvanoFusion“ entwickeln.
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Warum bisherige Verfahren an Wolfram scheitern
Klassische galvanische Verfahren, wie sie etwa beim Verchromen eingesetzt werden, funktionieren bei Wolfram nicht. Der Grund ist dessen sehr geringe Wasserstoffüberspannung. In wässrigen Elektrolyten wird kein Wolfram abgeschieden, stattdessen entsteht Wasserstoff. „Es existiert weltweit kein Verfahren zur elektrochemischen Abscheidung von reinem Wolfram – weder industriell noch im Labor“, so Projektleiter Andreas Waibel vom Fraunhofer IPA in einer Pressemeldung vom 2. April.
Der Stuttgarter Forschungsverbund betritt also wissenschaftliches Neuland. Statt wässriger Elektrolyte setzen die Forscher auf wasserfreie Elektrolyte auf Basis ionischer Flüssigkeiten und organischer Lösungsmittel. Damit wollen sie die physikalische Hürde umgehen, an der bisherige Versuche gescheitert sind.
Das IPP in Garching definiert die Anforderungen an die Wolframschichten und prüft sie unter fusionsrelevanten Bedingungen. Das Fraunhofer IPA entwickelt den Beschichtungsprozess mit dem Ziel einer späteren industriellen Skalierung, während IoLiTec das Know-how zur Formulierung der speziellen Elektrolyte beisteuert.
Wolfram-Beschichtungen gibt es schon – aber nicht so
Wolfram kommt in Fusionsanlagen bereits zum Einsatz. Im Plasmagefäß des ASDEX Upgrade am Max-Planck-Institut in Garching sind die Innenwände mit wolframbeschichteten Ziegeln ausgekleidet. Diese Schichten werden allerdings per Plasmaspritzen aufgebracht, wobei geschmolzene Wolframpartikel auf die Oberfläche geschleudert werden.
Die Ergebnisse sind laut den Forschern brauchbar, aber nicht perfekt: Plasmagespritztes Wolfram ist porös und enthält Verunreinigungen. Auch am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurden funktional graduierte Wolfram-Stahl-Schutzbeschichtungen entwickelt, die inzwischen industriell gefertigt werden und laut dem Industrieverband Pro-Fusion einen Technologie-Reifegrad (TRL) von 3 erreicht haben. Für den Einsatz in einem kommerziellen Kraftwerk müssten sie aber auf TRL 5 oder höher gebracht werden.
Ein elektrochemisches Verfahren könnte dagegen dichtere, reinere und gleichmäßigere Schichten erzeugen. Darüber hinaus wäre es potenziell einfacher zu skalieren als thermische Verfahren.
Milliarden für die Kernfusion
Die Kernfusion entwickelt sich aktuell zum weltweiten Hype-Thema. Die Bundesregierung hat im Koalitionsvertrag und im Aktionsplan Kernfusion vom Oktober 2025 das Ziel formuliert, das erste Fusionskraftwerk der Welt in Deutschland zu errichten. Allein in dieser Legislaturperiode will sie dafür über 2 Mrd. € bereitstellen, davon rund 1,7 Mrd. € für Forschungsförderung und bis zu 755 Mio. € aus dem Infrastruktur-Sondervermögen für Technologiedemonstratoren und Forschungsinfrastrukturen.
Weltweit arbeiten laut Aktionsplan rund 53 Unternehmen am Bau eines Fusionskraftwerks, vier davon in Deutschland. Der Industrieverband Pro-Fusion beziffert das bisher eingesammelte private Kapital auf über 9 Mrd. €. Die Regierung sieht sich dabei auch wegen der deutschen Forschungslandschaft auf einem guten Weg. Der Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald soll beispielsweise neue Maßstäbe für den Dauerbetrieb von Fusionsanlagen setzen.
GalvanoFusion wird übrigens im Rahmen des Förderprogramms „Fusion 2040″ des BMFTR finanziert – also jenem Programm, über das der Großteil der neuen Fördermittel fließen soll.
Vom Labor zur Kraftwerkswand
Das Projekt läuft bis Ende 2028. In dieser Zeit soll zunächst der grundlegende Nachweis gelingen, dass sich reines Wolfram elektrochemisch abscheiden lässt – und dass die entstehenden Schichten den extremen Bedingungen in einem Reaktor standhalten.
Gelingt das, wäre dies ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum ersten deutschen Fusionskraftwerk. Denn an der ersten Wand, die mit dem Wolfram beschichtet werden soll, entscheidet sich, ob ein Reaktor dauerhaft und wirtschaftlich betrieben werden kann. Am Ende könnten also ein paar Mikrometer Wolfram darüber entscheiden, ob die Milliardenförderung für Kernfusion erfolgreich war.
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