Wolfram – das Metall, das die härtesten Bereiche künftiger Fusionsreaktoren auskleiden soll – könnte unter extremer Strahlung stärker geschädigt werden als von Wissenschaftlern erwartet. Das legen neue Simulationen nahe, die in dieser Woche vorgestellt wurden.
In einer in Physical Review Letters veröffentlichten Studie simulierten Forscher Strahlenschadenskaskaden in Wolfram mithilfe maschinenlernender Interatompotentiale in beispiellosem Maßstab: mit bis zu einer Milliarde Atomen. Die Ergebnisse offenbaren vier verschiedene Regime des Primärschadens in Abhängigkeit von der Schadensenergie – und entscheidend einen Übergang zu einem Hochenergieregime, das von allen bisherigen Modellen abweicht.
Statt des angenommenen glatten Trends wechselt der Schaden pro Energieeinheit von sublinear zu superlinear, bevor er schließlich linear wird. Vereinfacht gesagt: Im für Fusionsneutronen relevanten Energiebereich akkumuliert das Metall Schäden schneller, als bisherige Modelle vorhersagten – was die geschätzte Lebensdauer plasmazugewandter Komponenten verkürzen könnte.
Wolfram ist der führende Kandidat für den Divertor und andere plasmazugewandte Komponenten experimenteller Reaktoren, geschätzt für seinen extrem hohen Schmelzpunkt und die geringe Erosion unter Hitze. Doch genau diese Komponenten müssen die volle Wucht der 14-MeV-Neutronen absorbieren, die bei Deuterium-Tritium-Fusionsreaktionen entstehen – Strahlenschäden sind damit die zentrale Beschränkung dafür, wie lange Reaktorteile zwischen zwei Austauschen überstehen.
Die neuen Erkenntnisse sind wichtig, weil Lebensdauerschätzungen direkt in die Reaktorökonomie einfließen: In einem Kraftwerk hängen die Verfügbarkeit der Maschine und die Stromgestehungskosten davon ab, wie oft die am stärksten beschädigten Teile ausgetauscht werden müssen.
Die Simulationen zeigen auch einen methodischen Sprung: Die Modellierung einer Milliarde Atome ist nur dank maschinenlernender Interatompotentiale möglich, die quantengenaue Kräfte zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher First-Principles-Methoden erfassen. Dieser Maßstab erlaubt es, die gesamte Bahn der Primärschadensereignisse zu beobachten – von den ersten Atomkollisionen bis zu den komplexen, ausgedehnten Defektstrukturen, die ihnen folgen.
Für Fusionsingenieure ist die Botschaft klar: Das Metall könnte stärker beansprucht werden, als die Lehrbücher sagen – und die Validierung von Schadensmodellen anhand experimenteller Bestrahlungsdaten ist wichtiger denn je.
