DuctGPT sucht Wolfram-Legierungen für die Kernfusion

DuctGPT sucht nach Wolfram-Legierungen für den härtesten Job der Kernfusion

Neue KI sucht Wolfram-Legierungen für die Innenwände von Fusionsreaktoren und prüfte bereits mehr als 1000 Varianten.

Kernfusion klingt nach Energie im Überfluss. In der Praxis scheitert sie aber noch an einem sehr hartnäckigen Problem: Welches Material kann an einem Ort bestehen, an dem extreme Hitze, Strahlung und mechanische Kräfte zusammenkommen?

Wolfram ist dafür naheliegend, aber schwierig. Das Metall schmilzt erst bei rund 3400 Grad Celsius und bleibt nach Strahlungseinwirkung vergleichsweise kurz radioaktiv. Zugleich ist es spröde und lässt sich nur schwer zu komplexen Bauteilen formen.

Ein Forschungsteam des Ames National Laboratory hat nun eine KI entwickelt, die die Suche nach besseren Wolfram-Legierungen beschleunigen soll. Die Software trägt den Namen DuctGPT. Ihre Ergebnisse erschienen im Fachjournal Acta Materialia.

Wie DuctGPT Wolfram-Legierungen schneller findet

Die Suche nach geeigneten Legierungen war bisher mühsam, teuer und langsam. Wer ein Material für Fusionsreaktoren entwickeln will, muss unzählige Kombinationen aus Metallen prüfen. Jede Variante kann andere Stärken und Schwächen haben. Manche halten Hitze aus, brechen aber leicht. Andere lassen sich besser formen, verlieren dafür unter Belastung an Stabilität.

DuctGPT soll diese Vorauswahl stark beschleunigen. Die KI geht auf AtomGPT zurück, ein Modell des National Institute of Standards and Technology. Das Team um Prashant Singh vom Ames National Laboratory trainierte es mit Daten aus der Materialforschung und passte es für Hochtemperatur-Legierungen an. In der Studie prüfte das System mehr als 1000 Zusammensetzungen solcher Speziallegierungen.

Für Forscher verändert sich damit vor allem der erste Schritt. Sie müssen nicht mehr jede mögliche Zusammensetzung einzeln durchrechnen lassen, sondern können Anforderungen in normaler Sprache formulieren. DuctGPT sucht dann nach Elementkombinationen, die dazu passen.

„Wenn man fragt: Ich möchte ein Material für Fusion entwickeln, das bestimmte Eigenschaften besitzt – sagt mir die Kombination von Elementen, die diese Anforderungen erfüllt –, dann liefert es solche Kombinationen“, erklärt Materialforscher Singh.

Warum Wolfram für Fusionsreaktoren so wichtig ist

Im Inneren eines Fusionsreaktors herrschen Bedingungen, die viele Werkstoffe schnell überfordern. Hitze, Strahlung und mechanische Belastung greifen das Material an. Wolfram gehört zu den wenigen Metallen, die für solche Umgebungen überhaupt infrage kommen.

Für den Bau künftiger Reaktoren reicht Hitzefestigkeit allein aber nicht aus. Bauteile müssen sich herstellen, formen und verbinden lassen. Ausgerechnet dort offenbart sich eine Schwäche des Metalls: „Wolframs größte Einschränkung ist seine fehlende Zugfestigkeit bei niedrigen Temperaturen. Dadurch lässt es sich nur schwer in komplexe Formen bringen“, sagt Singh.

Deshalb suchen Materialforscher nach Legierungen, die die Hitzefestigkeit von Wolfram bewahren und zugleich weniger spröde sind. In Fusionsreaktoren könnten solche Werkstoffe etwa für innere Schutzschichten, Reaktorwände oder besonders belastete Komponenten gebraucht werden.

DuctGPT entwickelt Wolfram-Legierungen und prüft verschiedene Varianten

In der Studie untersuchte DuctGPT hochschmelzende Mehrkomponenten-Legierungen. Darunter waren wolframreiche Varianten aus Wolfram, Titan und Vanadium sowie niob-tantalreiche Legierungen mit Titan und Vanadium. Singh nennt außerdem die Such-Variante Wolfram-Titan-Zirkonium-Hafnium.

Solche Legierungen sollen mehrere Eigenschaften vereinen:

sie müssen große Hitze aushalten
sie dürfen unter Strahlung nicht schnell versagen
sie sollen mechanisch belastbar bleiben
sie müssen sich besser formen lassen als reines Wolfram

Diese Mischung ist schwer zu erreichen. Wird ein Werkstoff härter, leidet oft seine Verformbarkeit. Wird er duktiler, kann seine Festigkeit sinken. DuctGPT durchsucht diesen Zielkonflikt schneller als klassische Verfahren und sortiert Zusammensetzungen aus, die wenig Aussicht auf Erfolg haben.

„Mit DuctGPT können wir Zusammensetzungen wie Wolfram-Titan-Zirkonium-Hafnium untersuchen, um Legierungen zu finden, die die Festigkeit von Wolfram und hohen Schmelzpunkt erhalten und die Duktilität verbessern“, sagt Singh. Duktilität bedeutet, dass sich ein Werkstoff verformen lässt, ohne sofort zu brechen.

Materialforschung läuft plötzlich auf normalen Rechnern

Der Zeitgewinn ist groß, weil viele Vorabfragen nicht mehr auf teure Supercomputer angewiesen sind. Den Forschern zufolge lassen sich solche Materialabfragen auf normalen Desktop-Rechnern ausführen. Was früher Monate beanspruchte, kann sich dadurch auf Tage oder Stunden verkürzen.

Wichtig ist dabei: Die Arbeit endet nicht am Bildschirm. Das Ames-Team kann ausgewählte Legierungen herstellen und im Labor prüfen. Die Studie verweist zudem darauf, dass DuctGPT mit experimentellen Daten und hochwertigen Computerdaten trainiert wurde. Die Vorhersagen wurden mit Versuchsdaten abgeglichen.

Kurz zusammengefasst:

Wolfram gilt als wichtiger Werkstoff für Fusionsreaktoren, weil es extreme Hitze aushält, aber spröde bleibt und sich schwer formen lässt.
Die KI DuctGPT prüfte in der Studie mehr als 1000 Legierungsvarianten und verkürzt die Suche von Monaten auf Tage oder Stunden.
Vorgeschlagene Wolfram-Legierungen sollen hitzefest, belastbar und besser verformbar sein; Ames Lab kann sie herstellen und im Labor testen.

Übrigens: Selbst die besten Wolfram-Legierungen lösen nur einen Teil des Kernfusion-Problems – denn ohne genügend Tritium fehlt künftigen Reaktoren der Brennstoff. Britische Entwickler wollen ihn im Reaktor selbst erzeugen. Mehr dazu in unserem Artikel.