タングステンは、最も高い融点を持つ金属であり、高温核融合プラズマを囲む容器の高応力部分の材料として特に適しています。ただし、脆いという欠点があり、ストレスがかかると壊れやすく、損傷しやすくなります。新しく、より弾力性のある複合材料が、ガーヒングのマックス プランク プラズマ物理研究所 (IPP) によって開発されました。被覆されたタングステンワイヤーが埋め込まれた均質なタングステンで構成されています。実現可能性調査により、新しい化合物の基本的な適合性が示されたところです。

IPP で行われる研究の目的は、太陽のように原子核の融合からエネルギーを得る発電所を開発することです。使用される燃料は低密度水素プラズマです。核融合火を点火するには、プラズマを磁場の中に閉じ込めて高温に加熱する必要があります。中心部では1億度に達します。タングステンは、高温プラズマと直接接触するコンポーネントの材料として非常に有望な金属です。これは、IPP での広範な調査によって実証されています。しかし、これまで未解決の問題は材料の脆さでした。タングステンは発電所の条件下では靭性を失います。局所的な応力（張力、伸び、または圧力）は、材料がわずかに変形しただけでは回避できません。代わりに亀裂が発生します。したがって、コンポーネントは局所的な過負荷に対して非常に敏感に反応します。

そのため、IPP は局所的な緊張を分散できる構造を探しました。繊維強化セラミックスがモデルとして使用されます。たとえば、脆い炭化ケイ素は炭化ケイ素繊維で強化すると 5 倍の強度になります。いくつかの予備研究の後、IPP の科学者ヨハン・リーシュは、同様の処理がタングステン金属でも効果があるかどうかを調査することになりました。

最初のステップは、新しい素材を作成することでした。タングステンマトリックスは、髪の毛のように細い押し出しタングステンワイヤーからなるコーティングされた長い繊維で強化する必要がありました。このワイヤは、もともと電球用の発光フィラメントとして意図されており、Osram GmbH によって供給されています。酸化エルビウムを含む、それらをコーティングするためのさまざまな材料がIPPで研究されました。完全にコーティングされたタングステン繊維は、平行に束ねられるか、編組されます。ワイヤ間の隙間をタングステンで埋めるために、ヨハン・リーシュ氏とその同僚は英国の産業パートナーであるアーチャー・テクニコート社と協力して新しいプロセスを開発しました。タングステンのワークピースは通常、金属粉末から高温高圧でプレス加工されますが、化合物を生成する穏やかな方法が見つかりました。中程度の温度で化学プロセスを適用することにより、ガス状混合物からタングステンがワイヤ上に堆積されます。タングステン繊維強化タングステンの製造に成功したのはこれが初めてであり、望ましい結果が得られました。最初のテスト後、新しい化合物の破壊靱性は繊維のないタングステンに比べてすでに 3 倍になっていました。

第 2 のステップは、これがどのように機能するかを調査することでした。決定的な要因は、繊維がマトリックスの亀裂を橋渡しし、材料内で局所的に作用するエネルギーを分散できることであることが判明しました。ここで、繊維とタングステンマトリックスの間の界面は、一方では亀裂が生じたときに崩れるほど十分に弱くなければならず、他方では、繊維とマトリックスの間に力を伝達できるほど十分に強くなければなりません。曲げ試験では、これは X 線マイクロトモグラフィーによって直接観察できます。これにより、材料の基本的な機能が実証されました。

ただし、この材料の有用性を決定づけるのは、適用時に強化された靭性が維持されることです。ヨハン・リーシュは、事前の熱処理によって脆化したサンプルを調査することでこれを確認しました。サンプルをシンクロトロン放射線にさらしたり、電子顕微鏡下に置いたりすると、サンプルを引き伸ばしたり曲げたりすることで、この場合も材料特性の改善が確認されました。応力が加わってマトリックスが破損しても、繊維は発生した亀裂を橋渡しして亀裂を食い止めることができます。

このようにして、新しい素材を理解し、作成するための原則が決まります。現在、サンプルは改善されたプロセス条件と最適化されたインターフェースの下で生産されることになっており、これが大規模生産の前提条件となっています。この新しい材料は、核融合研究の分野を超えて興味深いものになるかもしれない。