Wolfram aus dem 3D-Drucker soll Deutschlands Fusionsreaktoren schützen

Es ist die zentrale Aufgabe der innersten Wände eines Kernfusionsreaktors: Sie müssen das von Magnetfeldern kontrollierte 100 Mio. °C heiße Plasma einhausen. Klar, es herrschen an der ersten Wand, die das Plasma umgibt, keine 100 Mio. °C. Sie ist gekühlt und muss im regulären Betrieb mehrere Hundert Grad aushalten. Aber es gilt, lokale Wärmelasten, starke Temperaturwechsel und heftigen Neutronenbeschuss auszuhalten.

Das Material der Wahl dafür sind Oberflächen aus Wolfram, die als Kachel auf eine Stahlwand aufgebracht sind. Wolfram schmilzt bei 3422 °C. Aber es gibt noch keine Blaupause dafür, wie diese Wolframschicht optimal hergestellt werden kann, wie sich das hochspröde Wolfram am besten mit dem darunterliegenden Stahl verbindet. Da braucht es Spezialisten, die eigentlich nichts anderes machen, als sich mit Wolfram und Oberflächen zu beschäftigen. Einer davon ist die H.C. Starck Tungsten in Goslar. Sie will und soll jetzt im Rahmen des Forschungsprogramms „Fusion 2040“ der Bundesregierung diese extrem wichtige Beschichtung und die dafür nötigen Technologien entwickeln. Lesen Sie im Folgenden, warum der 3D-Druck voraussichtlich dafür ausschlaggebend sein wird.

Was der Trumpf des 3D-Druck von Wolfram bei der Kernfusion ist

Die Goslarer H.C. Starck Tungsten soll „spezielle Wolframpulver für die Realisierung eines ersten deutschen Fusionsreaktors entwickeln“, teilte das Unternehmen am heutigen 15. Juli mit. Das Unternehmen soll konkret geeignetes Wolfram-Metallpulver zur Herstellung von Baugruppen liefern, mit denen die Innenwände des Fusionsreaktors, die sogenannte „Inner Wall“, ausgekleidet werden können. Diese Materialentwicklung gilt als eines der zentralen Schlüsselprojekte, damit Deutschland die Voraussetzungen für den Bau eines Fusionskraftwerks schaffen kann.

Der 3D-Druck eröffnet zwar neue Möglichkeiten für komplexe Geometrien und integrierte Kühlkanäle, bringt aber eigene Werkstoffprobleme mit sich. Die eigentliche Herausforderung sieht H.C. Starck in der Fertigung. „Da Wolfram sehr spröde ist, entwickeln wir innovative Lösungen, die eine präzise Herstellung der Kacheln und ihre stabile Verbindung mit Kühlelementen ermöglichen“, sagt Projektleiter Tino Säuberlich. Voraussichtlich sollen die Komponenten additiv gefertigt werden.

Welche Herausforderung der 3D-Druck von Wolfram bei der Kernfusion meistern muss

Schon geringe Verunreinigungen können die Eigenschaften von 3D-Druck-Bauteilen verändern. Sauerstoffeinschlüsse zum Beispiel könnten Oxidation und Rissbildung fördern. Fremde Elemente können zudem unter Neutronenbeschuss radioaktiv angeregt werden. Das würde später Handhabung, Wartung und Entsorgung erschweren. „Maximale Reinheit des Materials“ sei daher entscheidend, betont Säuberlich.

Gefragt ist ein reproduzierbarer Ausgangsstoff für Bauteile mit genau definierten mechanischen Eigenschaften. Wie sensibel additive Fertigungsverfahren auf Gefüge, Grenzflächen und Prozessführung reagieren, zeigt auch die Forschung an 3D-gedruckten Stählen für die Kernfusion. „Da Wolfram sehr spröde ist, entwickeln wir innovative Lösungen, die eine präzise Herstellung der Kacheln und ihre stabile Verbindung mit Kühlelementen ermöglichen“, so Säuberlich. Ein Fehler in einer Grenzfläche kann dann wichtiger sein als die nominelle Hitzebeständigkeit des Ausgangsmaterials.

Erfahrung mit 3D-Druck von Wolframkomponenten hat H.C. Starck. 2023 führte das Unternehmen starck2print ein, ein spezifisches Wolframpulver, das qualifiziert ist für 3D-Druckverfahren wie das Laserstrahlschmelzverfahren (LPBF) oder das Elektronenschmelzverfahren. Dieses Pulver zeichne sich durch eine extrem hohe Fließfähigkeit und eine exakt austarierte Korngrößenverteilung aus.

Wo sollen die Werkstoffe für Fusionsreaktoren getestet werden?

Das Projekt zeigt, wie anspruchsvoll der Schritt vom Plasmaexperiment zum Kraftwerk ist – und wo in Deutschland noch Infrastruktur fehlt. Zum Beispiel lassen sich solche Bauteile unter kraftwerksnahen Bedingungen nirgends integriert prüfen. Die Kombination aus hohen Neutronenflüssen, Temperaturwechseln und mechanischer Beanspruchung lässt sich nur begrenzt abbilden.

H.C. Starck fordert deshalb perspektivisch den Aufbau geeigneter Testmöglichkeiten in Deutschland. „Hier kommt die enge Zusammenarbeit zwischen Industrie, Forschung und Politik im Rahmen des Projekts ins Spiel“, erläutert Säuberlich. „Angesichts der unglaublichen Komplexität des Vorhabens ist jede beteiligte Institution auf Erfahrungen und Leistungen anderer Partner angewiesen. Das macht, neben dem visionären Ziel, diese Initiative so faszinierend.“

Wolfram ist in der Kernfusion technologische Schlüssel- und strategische Schwachstelle zugleich

Das Projekt liegt direkt an einer der technologischen Schwachstellen der deutschen Fusionsstrategie: In der industriellen Wertschöpfungskette fehlen Prüfstände, qualifizierte Fertigungsprozesse und Produktionskapazitäten. Die Bundesregierung hat diese Lücken in ihrer Roadmap für ein Fusionskraftwerk grundsätzlich benannt. Auf die laufende Forschungsphase soll Anfang der 2030er-Jahre der Transfer in industrielle Anwendungen folgen. In den 2040er-Jahren sollen erste Testreaktoren in Betrieb gehen.

Was sehr wichtig ist: eine möglichst europäische, am besten noch deutsche Wertschöpfungskette. Jetzt sitzt H.C. Starck Tungsten Powders in Goslar. Das Unternehmen stellt dort hochreine, kundenspezifische Wolframpulver her. Doch das 1920 in Berlin gegründete Unternehmen gehört inzwischen zur japanischen Mitsubishi Materials Corp. Außereuropäische Hersteller hatte Acatech in diesem Frühjahr bei ihrer Fusionsroadmap als strategische Schwachstelle erkannt.

Die Goslarer aber sind schon in einem laufenden Industrieprojekt zur Kernfusionsforschung beteiligt. Im bis Oktober 2027 laufenden Verbundprojekt „Durable“, Abkürzung für „Designfreiheit für die Fusion durch additive Fertigung: Robustere Armierung und Materialverbünde zur Steigerung der Lebensdauer“, wollen die Beteiligten neuartige Materialmischungen und 3D-Druckverfahren zusammenbringen. So soll die Lebensdauer der extrem beanspruchten Reaktor-Innenwandkomponenten drastisch erhöht und Rissbildungen im Wolframgefüge verhindert werden.