Selbst-passivierende Wolfram-Legierungen

Um die Sicherheitseigenschaften eines künftigen Kraftwerks zu optimieren, werden im IPP Wolfram-Legierungen entwickelt, die sich bei Kontakt mit Sauerstoff selbst vor Oxidation schützen.


In einem künftigen Fusionskraftwerk werden die dem Plasma zugewandten Oberflächen voraussichtlich durch eine Bedeckung aus Wolfram geschützt. Das robuste Metall hält die Materialerosion durch den energiereichen Wasserstoff niedrig. Für die Sicherheitseigenschaften des Kraftwerks bringt es jedoch einen Nachteil mit sich: Wie die übrigen Wandmaterialien wird Wolfram durch die schnellen Fusionsneutronen aktiviert. Sollte die Kühlung ausfallen, können sich die Oberflächen durch die Nachwärme auf über 1100 Grad Celsius aufheizen. Bei gleichzeitigem Lufteinbruch bildet sich Wolframoxid, das bei hohen Temperaturen flüchtig ist.

Elektronenmikroskopisches Querschnittsbild durch eine bei 900 Grad Celsius oxidierte Wolfram-Legierung: Die schützende Chromoxid-Schicht ist im oberen Bereich als dunkles Band erkennbar.

Die günstigen Sicherheitseigenschaften eines Fusionskraftwerks werden zwar trotz dieses Effektes erreicht. Dennoch will man bei einem Störfall dieses Oxidieren und Abdampfen des radioaktiven Materials verhindern. Dazu werden im IPP Wolfram-Legierungen entwickelt, die sich selbst passivieren. Dem Wolfram werden hierzu Elemente zugesetzt, die bei Kontakt mit Sauerstoff einen schützenden Oxidfilm auf der Legierungsoberfläche bilden und so die weitere Oxidation verhindern. Proben dieser Legierungen werden im IPP durch Magnetron-Sputtern in dünnen Schichten hergestellt und anschließend untersucht. Als besonders wirksam erwies sich die Selbstpassivierung bei Legierungen aus Wolfram, Chrom und Titan: Nach Zusatz von 15 Gewichts-Prozent Chrom und zwei Prozent Titan oxidiert die Legierung zehntausend Mal langsamer als reines Wolfram.

Die selbst-passivierenden Wolframlegierungen können auch außerhalb der Fusionsforschung genutzt werden – überall dort, wo die Oxidationsempfindlichkeit von Wolfram ein Problem ist.

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