14. Juni 2024
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Chinas Top-3D-Druck-Wochenzeitung

Chinesische Wissenschaftler nutzen Kernbrennstoff, um Keramikstrukturen in 3D zu drucken und so Tritium herzustellen

Das China 3D Printing Network berichtete am 4. Juni, dass Forscher der Universität Shenzhen in China und des Southwest Institute of Physics eine Methode zur additiven Herstellung von Keramikstrukturen entwickelt haben, die Kernreaktorbrennstoff abgeben können. Mithilfe von mit Lithium beladener Keramik und DLP-3D-Druck ist es dem Team gelungen, eine „Brutdecke“ zu schaffen, die in der Lage ist, Tritium, ein wichtiges Element im Kernfusionsprozess, autark zu produzieren. In Zukunft könnte das Mobilfunkgerät der Wissenschaftler als effizientere Version von Kieselsteinbetten in Versuchsreaktoren eingesetzt werden und so dazu beitragen, die Technologie zur Bewältigung globaler Energieknappheit voranzutreiben.

„Die von uns entwickelten Strukturen weisen eine hohe Phasenreinheit und einen effizienten ‚Füllanteil‘ auf, der für [Tritium-]Züchtungsanwendungen geeignet ist“, sagten die Wissenschaftler in ihrer Studie. „Die einzigartigen Vorteile der flexiblen Steuerung bei der Gestaltung und Herstellung des 3D-Drucks könnten den Weg zu größeren Möglichkeiten für die Entwicklung neuer, maßgeschneiderter, leistungsstarker Tritium-Brutstrukturen für den Einsatz in der Kernfusionstechnologie ebnen.“

Obwohl die Kernenergie gegenüber vielen bestehenden Energiequellen potenzielle Vorteile in Bezug auf Sicherheit, Sauberkeit und Nachhaltigkeit bietet, hängen Fortschritte in der Technologie stark von der Forschung und Entwicklung ab, die in Versuchsreaktoren durchgeführt wird. Bei solchen Forschungen ist die Durchführung der sogenannten „D-T-Reaktion“, bei der Deuterium und Tritium als Brennstoff verbraucht werden, von entscheidender Bedeutung für die Umwandlung der Kernfusion in extrahierbare Energie. Während Deuterium jedoch aus Meerwasser gewonnen werden kann, kommt Tritium auf der Erde nicht natürlich vor, sodass seine Produktion für die Verbesserung der Leistung von Kernreaktoren von entscheidender Bedeutung ist. Derzeit werden Wasserstoffisotope typischerweise von Lithium enthaltenden „Decken“ gesammelt, die effektiv mit Neutronen kollidieren, die durch die D-T-Reaktion im Reaktorkern erzeugt werden, wodurch Tritium entsteht.

Unter diesen Absorptionsvorrichtungen werden am häufigsten tangential gepackte Kieselbetten verwendet, um die Freisetzung von Reaktanten zu fördern. Diese Vorrichtungen sind jedoch anfällig für Risse und führen zu Instabilität. Um eine besser anpassbare Alternative zu Kieselsteinbetten zu entwickeln, wandten sich chinesische Wissenschaftler daher dem 3D-Druck zu und schufen eine integrierte Tritium-Züchtungslösung mit weniger internen Kontaktpunkten und verringerten so deren Anfälligkeit.

Da ihre Experimente bei Raumtemperatur und relativer Luftfeuchtigkeit durchgeführt würden, mussten die Wissenschaftler ein Material entwickeln, das nicht mit Wasserdampf reagiert und seine Phasenreinheit verliert. Um dies zu erreichen, vermischte das Team Lithium, Keramik und Siliziummonoxid in einer mit einer inerten Argonatmosphäre gefüllten Glovebox zu einer harzbasierten Keramik-„Aufschlämmung“.

Sobald die Aufschlämmung fertig war, nutzten die Forscher einen kommerziellen Ceraform100-3D-Drucker, um daraus Zellprototypen zu photopolymerisieren, die dann bei der Nachbearbeitung entfettet und gesintert wurden. Die resultierende sich überschneidende 10 × 10 × 10 mm3 große Struktur weist ein Volumenverhältnis oder „Füllverhältnis“ von 60 % auf, das dem in aktuellen Kieselbetten ähnelt. Während die Proben des Teams zunächst ein gelbliches Aussehen hatten, nahmen die endgültigen Teile außerdem eine traditionellere weiße Farbe an, nachdem die organischen Bestandteile der Aufschlämmung während des Entfettungsprozesses verbrannt wurden. Die Wissenschaftler beschrieben die Maßgenauigkeit des Modells als „ziemlich gut“ und stellten später fest, dass die Schrumpfung gleichmäßig war und sie mithilfe der MES-Bildgebung keine Risse im Mikromaßstab aufwiesen.

Aufgrund der „defektfreien Struktureigenschaften“, die der Prototyp zeigte, kam das Team zu dem Schluss, dass ihr neuartiges 3D-Druckverfahren eine „vielversprechende“ Entwicklung bei der Herstellung von Tritium-Brutstrukturen und eine „attraktive Alternative“ im Vergleich zum herkömmlichen A-Bett von darstellt Kieselsteine, wie sie in einem aktuellen experimentellen Fusionsreaktor zu sehen sind.

Da Fortschritte in der additiven Fertigung es weiterhin ermöglichen, Teile herzustellen, die widerstandsfähiger gegen hohe Temperaturen und Hitze sind, wird die Technologie zunehmend für nukleare Anwendungen eingesetzt. Forscher des Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) haben beispielsweise ein großes Sicherheitsventil mit einer Widerstandsmasse der IAEA-Klasse 1 in 3D gedruckt.

Andernorts investiert das US-Energieministerium stark in das nukleare Potenzial des 3D-Drucks und arbeitet derzeit mit dem Oak Ridge National Laboratory an der Herstellung von Reaktorkernen. Mikroreaktoren namens Transformation Challenge Reactors (TCRs) werden gebaut, um der Nuklearindustrie die Einführung moderner Technologien zu erleichtern

Wissenschaftler des Argonne National Laboratory arbeiten ebenfalls an der Optimierung des Fusionsprozesses und haben eine Methode entwickelt, mit der bis zu 97 Prozent des anfallenden Abfalls wiederverwendet werden können. Mithilfe des 3D-Drucks erstellte das dortige Team eine Reihe miteinander verbundener Schütze, die Verunreinigungen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 99,9 % herausfiltern können.

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