Wie die digitale Modellierung von Materialien die nächste Generation der Kernenergie ermöglichen wird

In der Kernenergiebranche ist eine Revolution im Gange. Erstmals seit Jahrzehnten strotzt die Branche vor Dringlichkeit, Ehrgeiz und Kapital. Beflügelt durch den steigenden Energiebedarf, geopolitische Neuausrichtungen und den Klimawandel erlebt die Kernenergie eine Renaissance. Diese wird nicht nur von Reaktordesigns der nächsten Generation, sondern auch von den Materialien, die diese Designs ermöglichen, vorangetrieben.

Von privaten Fusions-Startups bis hin zu fortschrittlichen Mikroreaktoren steht dem Fortschritt immer ein Hindernis im Weg: die Materialien. Die Materialien, auf die sich die Industrie jahrzehntelang verlassen hat, sind der Aufgabe nicht mehr gewachsen. Neue Materialien werden benötigt, die intensiver Hitze, Neutronenbeschuss, Korrosion und mechanischer Belastung standhalten – oft gleichzeitig. Die kürzlich angekündigte Zusammenarbeit zwischen den USA und Großbritannien bei der Erprobung nuklearer Materialien unterstreicht, wie dringend und global diese Herausforderung geworden ist. Und da die Einsatzpläne immer kürzer werden, sind nicht nur bessere Materialien gefragt, sondern auch deren sofortige Verfügbarkeit.

Hier sind physikbasierte digitale Modellierung und integrierte computergestützte Materialentwicklung (ICME) unverzichtbar. Diese Technologien ermöglichen es uns, das Verhalten neuer Legierungen unter Reaktorbedingungen zu simulieren, bevor wir kostspielige und zeitaufwändige Versuchsprogramme starten. Sie helfen uns, die Leistung in Umgebungen zu testen, die die Grenzen des physikalisch Möglichen überschreiten. Und sie ermöglichen es, neue Materialien schneller als je zuvor zu entwickeln, zu optimieren und zu skalieren.

Eine neue Landschaft, neue Anforderungen

Die modernsten Fusionsreaktoren, wie der SPARC-Tokamak von Commonwealth Fusion Systems (Abbildung 1), arbeiten unter Bedingungen, die in industriellen Umgebungen bisher nicht erreicht wurden. In diesen Anlagen erreicht das Plasma Temperaturen, die höher sind als im Kern der Sonne. Die umgebenden Komponenten müssen Temperaturgradienten bewältigen, die sich innerhalb weniger Zentimeter von kryogen zu glühend heiß verändern. Gleichzeitig erzeugen leistungsstarke supraleitende Magnete intensive elektromagnetische Felder, um alles im Zaum zu halten.

Diese Vorgänge erfordern Strukturgussteile in der Größe kleiner Gebäude, Wolframplatten, die dem Plasma ausgesetzt sind, und Supraleiter, die am Rande des absoluten Nullpunkts arbeiten. Jede dieser Komponenten erfordert Materialien, die extremer Hitze, Strahlung, Belastung und Korrosion standhalten.

Im Bereich der Kernspaltung bauen modulare Reaktor-Startups kompakte, transportable Einheiten, die anstelle von Wasser mit geschmolzenem Salz oder Gas kühlen. Diese Konstruktionen versprechen mehr Sicherheit und Effizienz, bringen aber auch ungewohnte Herausforderungen hinsichtlich chemischer Reaktivität und Korrosion mit sich. Auch hier sind die Materialien der entscheidende Faktor.

Das Unmögliche modellieren

Bei QuesTek Innovations haben wir diese Anforderungen in Echtzeit miterlebt. Ob es darum geht, die Duktilität von Wolfram zu verbessern, um es in fusionsrelevante Geometrien rollen zu können, die Modellierung der Materialschädigung durch Neutronen im Laufe der Zeit oder die Unterstützung von Herstellern bei der Erforschung neuartiger Vanadiumlegierungen – wir arbeiten an der Spitze des Wissens und des Möglichen.

Vanadium ist ein perfektes Beispiel. Vanadiumlegierungen werden zwar lange erforscht, aber selten eingesetzt. Sie sind aufgrund ihrer außergewöhnlichen Strahlungsbeständigkeit vielversprechend für den strukturellen Einsatz in der Nukleartechnik. Ihre Skalierung von Laborproben zu Reaktorkomponenten ist jedoch nicht einfach. Vanadiumlegierungen sind den meisten kommerziellen Herstellern unbekannt, und ihre Verarbeitung erfordert sorgfältige Schmelz-, Schmiede- und Verunreinigungskontrolle. Modellierung hilft uns, diese Wissenslücken zu schließen, Eigenschaften vorherzusagen, Fertigungsparameter zu steuern und die Qualifizierung zu beschleunigen.

Dies sind keine hypothetischen Probleme. Commonwealth, Pacific Fusion und andere schnell wachsende Atom-Startups sichern sich Milliarden an privaten Investitionen. Sie verschieben die Grenzen der Materialleistung und der Zeitvorgaben. Sie können sich mehrjährige iterative Zyklen aus Design, Test und Überarbeitung nicht leisten. Sie brauchen vorausschauende Erkenntnisse.

Tests ergänzen, nicht ersetzen

Wichtig zu betonen: Bei der Modellierung geht es nicht darum, Tests zu vermeiden. Es geht darum, Tests intelligenter zu gestalten. Experimentelle Programme sind unerlässlich, um die Leistungsfähigkeit von Materialien zu validieren, insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen wie der Kernenergie. Physikalische Tests allein sind jedoch zeitaufwändig und teuer, insbesondere wenn dafür spezielle Anlagen gebaut oder Proben über Monate oder Jahre bestrahlt werden müssen. Mithilfe der Modellierung können wir Variablen isolieren, mögliche Legierungen prüfen und Fehler vorhersehen, bevor wir diese Programme in Angriff nehmen.

Modellierung ist oft die einzige Möglichkeit, frühzeitig Einblicke in extreme Umgebungen zu gewinnen. Hochpräzise Simulationen können das Verhalten eines Materials bei erhöhten Temperaturen und hohem Neutronenfluss prognostizieren, selbst wenn noch keine Anlage existiert, um dieses Szenario exakt nachzubilden. Diese Fähigkeit, „über die Ecke zu schauen“, ist von unschätzbarem Wert, um Investitionen zu steuern und das Risikoprofil von Forschung und Entwicklung zu senken.

Physikalische Tests bleiben unverzichtbar. Da öffentliche und private Atomprogramme jedoch ehrgeizige Zeitpläne einhalten müssen, ist die Integration digitaler und experimenteller Methoden unerlässlich. Der Erfolg zukünftiger Reaktoren wird ebenso von der strategischen Entwicklung fortschrittlicher Materialien wie von den Konstruktionen selbst abhängen.

— Jason Sebastian ist Executive Vice President of Market Operations bei QuesTek Innovations LLC , einem bahnbrechenden Materialtechnikunternehmen, das Innovatoren durch die Lösung materialbasierter Herausforderungen unterstützt.