Computersimulationen zeigen Weg zu besseren Werkstoffen für Kern- und Fusionskraftwerke

Cambridge (USA) - Nicht nur Lebewesen, auch fester Stahl kann durch radioaktive Strahlung geschädigt werden. Nun entdeckten Materialforscher von der Harvard University den Grund für Strahlungschäden an Metallen. Mit Hochleistungsrechnern simulierten sie den Aufprall von schnellen Neutronen und elektrisch geladenen Ionen auf einer Oberfläche aus Silizium. Diese Teilchen werden von radioaktiven Substanzen in großer Zahl freigesetzt und führen durch Verschiebungen von Atomen im Kristallgitter zu irreparablen Schäden. Die Erkenntnisse sollen nun zur Entwicklung stabilerer Metalllegierungen für die Reaktorbehälter von Kernkraft- und zukünftigen Fusionsreaktoren führen. Veröffentlicht sind sie im Fachblatt "Nature Communications".

"Unsere Entdeckung räumt mit einem lange angenommen Paradigma über Strahlungsschäden auf", sagt Harvard-Forscher Michael Aziz, der zusammen mit Kollegen von der Universität Helsinki die aufwändigen Computerberechnungen durchgeführt hatte. Denn bislang galten von radioaktiver Strahlung weggesprengte Atome als Hauptursache für Materialschäden. Viel wichtiger seien nach der aktuellen Studie jedoch strahlungsbedingte Verschiebungen von Atomen in der Metalloberfläche. Mit der hohen Anzahl solcher Verschiebungen - immerhin senden radioaktive Substanzen pro Sekunde Milliarden schneller Neutronen, Ionen und Elektronen aus - werde das umgebende Material immer instabiler.

Obwohl diese ersten Simulationen beispielhaft die Strahlungsschäden von Siliziumschichten zeigten, kann die Methode auf andere Werkstoffe ausgeweitet werden. Wolfram - ein extrem widerstandsfähiges Metall, das für die Reaktorkammern der ersten Testreaktoren zur Erforschung der Kernfusion verwendet wird - steht als nächstes auf der Wunschliste von Aziz und Kollegen. Denn frühere Beobachtungen hatten gezeigt, dass Wolfram unter radioaktiver Strahlung zuerst einen lockeren Metallschaum bildet und danach zerstört werden kann. Dieses bisher ungeklärte Verhalten hoffen die Forscher nun mit ihren Simulationen verstehen zu können. Darauf aufbauend ließen sich in Zukunft Metalllegierungen entwickeln, die gegen intensive Strahlung noch widerstandsfähiger sind.

"Das könnte helfen, die technischen Problem von Fusionsreaktoren zu lösen", sagt Aziz. Ein Aufwand, der sich lohnen dürfte. Denn bei der Kernfusion verschmelzen Wasserstoffatome zu schwereren Heliumteilchen und setzen dabei gigantische Energiemengen frei. Doch in ersten Testreaktoren brannte dieses Fusionsfeuer, das auf den gleichen Kernprozessen wie in der Sonne aufbaut, je nur wenige Sekunden. Mit dem derzeit im Bau befindlichen Fusionsreaktor ITER im südfranzösischen Cadarache könnten auch dank neuer Werkstoffe die wichtigsten Probleme in 15 bis 20 Jahren gelöst werden. Dann stünde eine schier unerschöpfliche Energiequelle zur Verfügung, die ein deutlich geringeres Unfallrisiko hätte als heutige Kernkraftwerke.