Forschende untersuchen 3D-Druck von Wolframteilen für extreme Bedingungen in Kernreaktoren

Sougata Roy, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Iowa State University, arbeitet mit innovativen Verfahren, um zur sauberen Energiezukunft beizutragen. Mit einem 1-Million-Dollar-Zuschuss des US-Energieministeriums erforscht er den Einsatz von 3D-Druck, um Schilde und Komponenten für Kernreaktoren zu entwickeln. Sein Fokus liegt dabei auf der Verwendung von Wolfram, einem Material, das aufgrund seiner hohen Temperaturbeständigkeit und Erosionsfestigkeit ideal für Fusionsreaktoren ist.

„Bei dieser Arbeit im Bereich der fortgeschrittenen Fertigung, insbesondere bei der Verwendung der additiven Fertigung, geht es darum, etwas zu bewirken“, sagte Roy, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Iowa State University und Fakultätsmitglied im Fachbereich Ingenieurwesen, der eine Welt der Unterschiede schafft.

Im Rahmen des Projekts mit dem Titel „Developing a Robust Ecosystem for Additive Manufacturing of Tungsten for Extreme Applications and Management“ bildet Roy ein sogenanntes DREAM-TEAM. Dazu gehören Yachao Wang, Assistenzprofessor am University of North Dakota, sowie Forschende des Ames National Laboratory, Argonne National Laboratory und Oak Ridge National Laboratory. Die Partnerschaft ist Teil des EPSCoR-Programms, das darauf abzielt, energiebezogene Forschungskapazitäten landesweit zu stärken.

„Eines der wichtigsten Dinge, die mich an diesem Projekt reizen, ist die Arbeit mit Kernenergie“, so Roy. „Sie ist die größte Quelle für sauberen Strom in den Vereinigten Staaten. Diese emissionsfreie Elektrizität ist wichtig für die Zukunft“.

Der Fokus liegt auf Wolfram, einem idealen Material für die Innenwände von Fusionsreaktoren aufgrund seiner hohen Temperaturbeständigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Erosion durch Neutronenstrahlung. Traditionell ist die Verarbeitung von Wolfram jedoch kostspielig und schwierig, da das Material hart und spröde ist. Die Forscher setzen daher auf unkonventionelle Verfahren wie den laserpulverbettgesteuerten Direktenergieabscheidungsprozess, bei dem Wolfram-Pulver schichtweise mittels Laser unter sauerstoffkontrollierten Bedingungen verarbeitet wird.

Roy betont, dass neben dem Druckprozess die physikbasierte Modellierung und computergestützte Simulationen eine zentrale Rolle spielen. Durch den Einsatz von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz sollen die experimentellen Ergebnisse theoretisch untermauert und Rezepturen für Wolframlegierungen entwickelt werden, die den extremen Bedingungen in Kernreaktoren standhalten.

„Wir werden mit reinem Wolfram beginnen“, sagte er. „Schließlich werden wir neue Legierungen entwickeln, um das Problem der Rissbildung zu lösen. Dies ist ein echtes DREAM-TEAM“, sagte er, “nichts wie dieses Projekt kann allein durchgeführt werden.“

Das Projekt vereint umfassendes Fachwissen und modernste Technologien, um die additive Fertigung im Bereich der Kernenergie voranzutreiben und nachhaltige Lösungen für die Zukunft zu entwickeln.