Volfram är särskilt lämpligt som material för starkt belastade delar av kärlet som omsluter en varm fusionsplasma, det är den metall som har högst smältpunkt. En nackdel är dock dess sprödhet, som under stress gör den ömtålig och benägen att skadas. Ett nytt, mer motståndskraftigt sammansatt material har nu utvecklats av Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) vid Garching. Den består av homogen volfram med belagda volframtrådar inbäddade. En förstudie har just visat den nya föreningens grundläggande lämplighet.

Syftet med forskningen som bedrivs vid IPP är att utveckla ett kraftverk som, liksom solen, får energi från sammansmältning av atomkärnor. Bränslet som används är ett väteplasma med låg densitet. För att antända fusionsbranden måste plasman begränsas i magnetiska fält och värmas upp till en hög temperatur. I kärnan uppnås 100 miljoner grader. Volfram är en mycket lovande metall som material för komponenter som kommer i direkt kontakt med den heta plasman. Detta har visats av omfattande utredningar vid IPP. Ett hittills olöst problem har dock varit materialets sprödhet: Tungsten förlorar sin seghet under kraftverksförhållanden. Lokal påfrestning – spänning, sträckning eller tryck – kan inte undvikas genom att materialet ger vika. Sprickor bildas istället: Komponenter reagerar därför mycket känsligt på lokal överbelastning.

Det var därför IPP letade efter strukturer som kunde fördela lokal spänning. Fiberarmerad keramik fungerade som modeller: Till exempel görs spröd kiselkarbid fem gånger så seg när den förstärks med kiselkarbidfibrer. Efter några preliminära studier skulle IPP-forskaren Johann Riesch undersöka om liknande behandling kan fungera med volframmetall.

Det första steget var att ta fram det nya materialet. En volframmatris måste förstärkas med belagda långa fibrer bestående av extruderad volframtråd tunn som hår. Ledningarna, som ursprungligen var avsedda som lysande glödtrådar för glödlampor, levererades av Osram GmbH. Olika material för beläggning av dem undersöktes vid IPP, inklusive erbiumoxid. De helt belagda volframfibrerna buntades sedan ihop, antingen parallella eller flätade. För att fylla ut luckorna mellan trådarna med volfram utvecklade Johann Riesch och hans medarbetare sedan en ny process i samarbete med den engelska industripartnern Archer Technicoat Ltd. Medan volframarbetsstycken vanligtvis pressas samman av metallpulver vid hög temperatur och tryck, är en mer skonsam metod för att framställa föreningen hittades: Volframet avsätts på trådarna från en gasformig blandning genom att tillämpa en kemisk process vid måttliga temperaturer. Detta var första gången som volframfiberförstärkt volfram framgångsrikt producerades, med önskat resultat: Brottsegheten hos den nya föreningen hade redan tredubblats i förhållande till fiberlös volfram efter de första testerna.

Det andra steget var att undersöka hur detta fungerar: Det avgörande visade sig vara att fibrerna överbryggar sprickor i matrisen och kan fördela den lokalt verkande energin i materialet. Här måste gränssnitten mellan fibrer och volframmatrisen å ena sidan vara tillräckligt svaga för att ge vika när sprickor bildas och å andra sidan vara tillräckligt starka för att överföra kraften mellan fibrerna och matrisen. I böjtester kunde detta observeras direkt med hjälp av röntgenmikrotomografi. Detta visade materialets grundläggande funktion.

Avgörande för materialets användbarhet är dock att den förhöjda segheten bibehålls när det appliceras. Johann Riesch kontrollerade detta genom att undersöka prover som hade blivit spröda av tidigare värmebehandling. När proverna utsattes för synkrotronstrålning eller sattes under elektronmikroskop, bekräftade sträckning och böjning av dem också i detta fall de förbättrade materialegenskaperna: Om matrisen misslyckas när den belastas, kan fibrerna överbrygga sprickorna som uppstår och stoppa dem.

Principerna för att förstå och ta fram det nya materialet är därmed fastställda. Prover ska nu produceras under förbättrade processförhållanden och med optimerade gränssnitt, vilket är en förutsättning för storskalig produktion. Det nya materialet kan också vara av intresse utanför fusionsforskningsområdet.