Im Inneren eines Fusionsreaktors wirken extreme Temperaturen, mechanische Spannungen und intensive Teilchenstrahlung gleichzeitig auf die Materialien. Dies verändert das Kristallgitter, erzeugt Defekte und Poren und kann Materialversagen verursachen. Betroffen sind unter anderem ferritische Stähle wie EUROFER97, Wolfram und Wolframlegierungen für die Reaktorinnenwand sowie Kupferlegierungen für Kühlkomponenten. Unter Neutronenbeschuss bildet sich im Wolfram zudem Rhenium – eine Veränderung, die die Materialeigenschaften beeinflusst.

Hier setzt FUMA an, das „Kompetenzzentrum zur Optimierung von FUsionsMAterialien“. Beteiligt sind eine Positronen- und drei Neutronen-Arbeitsgruppen des FRM II sowie zwei IPP-Gruppen, die sich methodisch ergänzen. Eine Gruppe untersucht additiv gefertigte Bauteile und Schweißverbindungen, während eine andere Poren oder innere Spannungen unter industrienahen Bedingungen analysiert. „Mit unserer Positronenspektroskopie am FRM II wollen wir Materialschäden bereits auf atomarer Ebene verstehen. Mit den Antiteilchen der Elektronen können wir nachvollziehen, wie aus kleinsten Defekten größere Strukturen entstehen, die schließlich die Lebensdauer eines Werkstoffs bestimmen“, erklärt Projektkoordinator Prof. Christoph Hugenschmidt von der TUM. Prof. Christian Pfleiderer, Wissenschaftlicher Direktor am FRM II, ergänzt: „Die am FRM II eingesetzten Neutronenmethoden ermöglichen einzigartige Einblicke in die Struktur der Fusionsmaterialien von der atomaren bis zur Millimeter-Skala.“

Hugenschmidt erläutert, warum Garching ideale Voraussetzungen für das Projekt bietet: „Das IPP bringt hier vor Ort die maximale Expertise zu Materialien und Komponenten für einen künftigen Fusionsreaktor ein." Hinzu kommen einzigartige experimentelle Möglichkeiten: Wärmeeinträge von bis zu 20 Megawatt pro Quadratmeter sowie gezielte Materialschäden durch Neutronenbestrahlung können unter realitätsnahen Bedingungen untersucht werden.

Das langfristige Ziel ist es, die Lebensdauer von Materialien im Fusionsreaktor zuverlässig vorhersagen zu können. Die Gruppen entwickeln gemeinsam ein Messprogramm: Das IPP stellt die Forschungsprioritäten zu Fragestellungen an Materialen dar und präpariert Proben, während die Analysegruppen am FRM II mit Neutronen und Positronen ihre Instrumente weiter verbessern und die Schädigungsmechanismen untersuchen.

Weitere Informationen: 

• Das BMFTR fördert das auf drei Jahre angelegte Projekt „FUMA“ im Zuge seiner Hightech Agenda Deutschland mit rund 3,6 Millionen Euro.
• An dem Projekt sind auf Seiten der Technischen Universität München (TUM) neben Prof. Christoph Hugenschmidt (Physics with Positrons, NEPOMUC) auch Dr. habil. Ralph Gilles (Advanced Materials), Dr. Michael Hofmann (Residual Stresses, Textures, Phase Transitions) und Dr. Tobias Neuwirth (Neutron Radiography and Tomography) beteiligt.
• Vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) wirken Prof. Rudolf Neu und Prof. Jeong-Ha You (beide Plasma Edge and Wall – Plasma Component Interaction) sowie Dr. Thomas Schwarz-Selinger (Plasma Edge and Wall – Ion Beam Analysis and Modification) mit.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Christoph Hugenschmidt 
Technische Universität München
Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) 
+49 89 289 14609 
christoph.hugenschmidt@frm2.tum.de

Prof. Dr. Rudolf Neu 
Max-Planck-Institut für Plasma-Physik
+49 89 3299 1899 
rudolf.neu@ipp.mpg.de

Ansprechpartnerin für Medien:

Andrea Voit
Kommunikationsmanagerin
Technische Universität München
Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) 
+49 89 289-12141
andrea.voit@frm2.tum.de