Interview: Wie Additive Fertigung Fusionskomponenten belastbarer machen kann

03.06.2026

Plasmabelastete Komponenten gehören zu den anspruchsvollsten Bauteilen künftiger Fusionskraftwerke: Sie müssen extremen thermischen, mechanischen und strahlungstechnischen Beanspruchungen standhalten. Welche Rolle Additive Fertigung, Wolfram-Kupfer-Strukturen und Multimaterialkonzepte dabei spielen können, erklärt Dr.-Ing. Georg Schlick vom Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV in Augsburg.

Herr Dr. Schlick, wenn wir auf die Bauteile im Inneren eines Fusionskraftwerks schauen: Mit welchen Bedingungen haben diese Komponenten überhaupt zu tun?

Die Beanspruchungen in Fusionsanlagen übersteigen in vielen Bereichen das, was aus konventionellen energietechnischen Anwendungen bekannt ist. Für innere Wand- und Divertorbereiche werden Wärmelasten von bis zu 20 MW/m² angegeben, in kurzzeitigen Lastfällen auch darüber hinaus. Diese Wärmeströme führen zu ausgeprägten Temperaturgradienten und damit zu erheblichen thermisch induzierten Spannungen. Hinzu kommen Plasma-Wand-Wechselwirkungen, die zu Materialabtrag und Oberflächenveränderungen führen können.

Hitze und mechanische Spannungen sind das eine, die kennen wir bereits aus anderen Hochtechnologie-Bereichen, etwa der Raumfahrt. Welche zusätzlichen Herausforderungen ergeben sich in der Fusion darüber hinaus für die eingesetzten Werkstoffe?

Eine zusätzliche Besonderheit der Kernfusion besteht in der intensiven Neutronenbelastung. Diese beeinflusst die Mikrostruktur der eingesetzten Werkstoffe, verändert mechanische Eigenschaften und begrenzt die Auswahl möglicher Materialsysteme. Gleichzeitig muss die Werkstoffwahl so erfolgen, dass unerwünschte strahlungsinduzierte Aktivierungseffekte und die Transmutation der Elemente möglichst gering bleiben. Daraus ergibt sich ein enges werkstofftechnisches Anforderungsprofil, das sowohl Hochtemperatureigenschaften als auch Strahlungsresistenz und geringe Aktivierbarkeit berücksichtigen muss. Vor diesem Hintergrund hat sich Wolfram aufgrund seiner hohen Schmelztemperatur und geringen Sputterrate als zentraler Werkstoff für plasmabelastete Bereiche weitgehend etabliert.

Damit ist Wolfram auf der Plasmaseite gesetzt, gilt aber gleichzeitig als schwer zu verarbeiten. Wie lassen sich solche Bauteile dennoch effizient herstellen und in funktionierende Komponenten integrieren?

Ja, die Verarbeitung von Wolfram ist anspruchsvoll. Konventionelle Prozessrouten beruhen überwiegend auf pulvermetallurgischen Verfahren, insbesondere Sintern und nachgelagerten Umformschritten. Vor diesem Hintergrund wurden am Fraunhofer IGCV Ansätze verfolgt, mit denen sich komplexe Wolframstrukturen additiv herstellen und gezielt mit kupferbasierten Wärmesenken koppeln lassen. Ziel ist ein funktionaler Übergang zwischen der plasmaseitigen Oberfläche und der wärmeabführenden Struktur. Dies ist insbesondere deshalb relevant, weil sich Wolfram und Kupfer hinsichtlich ihrer thermischen Ausdehnung deutlich unterscheiden und direkte Verbindungen unter zyklischer Wärmelast nur eingeschränkt belastbar sind.

Bisher klingt das nach einer Kombination mehrerer Fertigungsschritte. Geht die Entwicklung auch in Richtung direkter Materialkombinationen im Bauprozess?

Über die Kombination separat gefertigter Werkstoffbereiche hinaus eröffnet die additive Fertigung die Perspektive, unterschiedliche Materialien direkt innerhalb eines Fertigungsprozesses lokal definiert zu verarbeiten. In Kooperation mit Industriepartnern wurden hier für Verfahrensansätze untersucht, bei denen innerhalb einer einzelnen Schicht nacheinander verschiedene metallische Pulver eingebracht und selektiv aufgeschmolzen werden.

Was ist mit solchen Multimaterialstrukturen heute bereits möglich und wo beginnt der Forschungsbedarf?

Dieser Ansatz bietet die Möglichkeit, dreidimensionale Multimaterialstrukturen mit hoher funktionaler Integration aufzubauen und konventionelle mehrstufige Füge- oder Infiltrationsprozesse zu substituieren. Bereits realisiert werden konnten komplexe metallische Werkstoffkombinationen aus Kupfer und bis zu zwei weiteren Werkstoffen (bspw. Stahl oder Nickelbasislegierungen). Die Übertragung auf das für Fusionsanwendungen besonders relevante System Wolfram-Kupfer ist Gegenstand laufender Forschungsarbeiten. Aufgrund der stark unterschiedlichen thermophysikalischen und prozesstechnischen Eigenschaften beider Werkstoffe besteht hier weiterhin erheblicher Entwicklungsbedarf. Gleichwohl eröffnet gerade dieser Ansatz ein hohes Potenzial für zukünftige, lastgerecht ausgelegte Komponentenarchitekturen.

Neben der Materialkombination geht es auch darum, Wärme zuverlässig abzuführen. Was bedeutet das für die Geometrie solcher Bauteile?

Neben den direkt plasmabelasteten Hochlastbereichen sind auch komplexe Kühlstrukturen von zentraler Bedeutung für zukünftige Fusionssysteme. Insbesondere kupferbasierte Wärmesenken und Kühlkörper müssen hohe thermische Lasten sicher abführen und zugleich in geometrisch hochintegrierter Form bereitgestellt werden. Additive Fertigungsverfahren bieten hierfür erhebliche Freiheitsgrade, da sie die Herstellung innenliegender Kanalstrukturen und funktionsintegrierter Geometrien ermöglichen, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nur schwer oder gar nicht realisierbar sind.

Wenn solche komplexen Kupferstrukturen additiv gefertigt werden: Was muss anschließend nachgewiesen und beherrscht werden?

Im Rahmen der Arbeiten wurden auch großvolumige und komplexe Kupferstrukturen entwickelt, wie sie beispielsweise im Umfeld von Wendelstein 7-X von Bedeutung sind. Während solche Komponenten bislang häufig aus einer Vielzahl einzelner Teilstücke aufgebaut und gefügt werden, erlaubt die additive Fertigung die Umsetzung weitgehend monolithischer Bauteile. Damit gehen jedoch spezifische Herausforderungen einher. Dazu zählen insbesondere die erreichbare Helium-Leckdichtheit, die vollständige Entfernung nicht aufgeschmolzener Pulverreste aus inneren Kanälen, geeignete Nachbehandlungsstrategien sowie die prozessbegleitende Qualitätssicherung.

Was sind aus Ihrer Sicht die nächsten Schritte, damit aus solchen Ansätzen belastbare Prozessketten werden?

Für eine künftige industrielle Nutzung wird entscheidend sein, die entwickelten Ansätze in robuste, skalierbare und wirtschaftlich tragfähige Prozessketten zu überführen. Neben der weiteren werkstoff- und prozesstechnischen Qualifizierung additiv gefertigter Multimaterialsysteme wird dabei insbesondere die Validierung unter realitätsnahen thermischen und mechanischen Lastbedingungen eine zentrale Rolle spielen. Die additive Fertigung kann damit zu einer Schlüsseltechnologie für die Realisierung leistungsfähiger Fusionskomponenten werden.