Kernfusionsforschung

Das Fraunhofer EMI hat experimentell validierte Simulationsmodelle entwickelt, die dazu beitragen, kritische Plasmaereignisse in Fusionsreaktoren zu beherrschen.

Der weltweite Primärenergie- und Strombedarf steigt. Gleichzeitig müssen die CO₂-Emissionen drastisch sinken, um den Herausforderungen des Klimawandels zu begegnen. Neben regenerativen Energiequellen wie Wind und Sonne könnte deshalb künftig auch die Kernfusion einen Beitrag zur klimafreundlichen Stromerzeugung und zur Deckung der Grundlast leisten.

Bis zum ersten wirtschaftlich nutzbaren Fusionskraftwerk ist allerdings noch ein gewisser Weg zu gehen. Und auf diesem Weg befindet sich, im wahrsten Sinne des Wortes, das internationale Großforschungsprojekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Der bislang größte Fusionsreaktor der Welt entsteht derzeit im südfranzösischen Cadarache. ITER soll zeigen, dass sich durch die Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu Helium – also mit einem Prozess, der in ähnlicher Weise auch in der Sonne abläuft – ein deutlicher Nettoenergiegewinn technisch erreichen lässt. Als Brennstoffe dienen dabei die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium.

Damit die positiv geladenen Atomkerne miteinander verschmelzen können, müssen ihre gegenseitigen Abstoßungskräfte überwunden werden. Dazu wird der Brennstoff auf Temperaturen von weit über 100 Millionen Grad Celsius erhitzt. Da bei diesen Temperaturen der Wasserstoff nicht mehr als Gas, sondern als Plasma vorliegt, kann er mittels Magnetfelder beeinflusst und so in einem ringförmigen Magnetfeldkäfig eingeschlossen werden (Tokamak-Prinzip). Ist dieses Plasma ausreichend dicht und lange genug bei hohen Temperaturen eingeschlossen (Lawson-Kriterium), kommen die Fusionsprozesse in Gang und setzen dabei enorme Mengen an Energie frei.

In einem künftigen Kraftwerk könnte diese Energie über ein Kühlsystem, einen Wärmetauscher und eine Turbine zur Stromerzeugung genutzt werden.

Plasmadisruptionen kontrolliert abmildern

Eine zentrale Herausforderung besteht darin, das Plasma dauerhaft in einem kontrollierten Zustand zu halten. Sogenannte Plasmadisruptionen können plötzlich infolge von Plasmainstabilitäten auftreten und zum Verlust des Plasmaeinschlusses sowie zu einem raschen Abfall des Plasmastroms führen. Dabei werden innerhalb kürzester Zeit große thermische und mechanische Lasten freigesetzt. Diese können Komponenten des Reaktors schädigen und zusätzlichen Wartungsaufwand sowie längere Stillstandszeiten verursachen.

Um die Folgen solcher Ereignisse abzumildern, erhält ITER ein Disruption Mitigation System (DMS). Dabei werden gefrorene Pellets aus Wasserstoff oder Neon mit hoher Geschwindigkeit in den Fusionsreaktor geschossen – jedoch indirekt. Kurz vor Erreichen des Plasmas treffen sie mit bis zu 500 Metern pro Sekunde auf eine schräg zur Flugrichtung angeordnete Prallplatte, die sogenannte Shattering Unit. Der Aufprall zerlegt sie in unterschiedlich große Fragmente, die tief ins Plasma eindringen, es abkühlen und seine Dichte erhöhen. Dadurch wird die Plasmaenergie verringert, bevor sie auf die Wand treffen kann. Zugleich wird das Entstehen hochenergetischer relativistischer Elektronen verhindert, deren enorme Energie das Vakuumgefäß stark beschädigen könnte.

Wie wirksam das DMS arbeitet, hängt wesentlich von der Größen- und Geschwindigkeitsverteilung der erzeugten Fragmente ab. Daher muss genau verstanden werden, wie Pelletmaterial, Geschwindigkeit, Aufprallwinkel und weitere Randbedingungen den Fragmentierungsprozess beeinflussen.

Simulationsmodelle und neue Diagnoseverfahren des Fraunhofer EMI

An diesem Punkt setzte die Forschung des Fraunhofer EMI an. Im Auftrag der ITER-Organisation entwickelten die Forschenden numerische Modelle und Software, mit denen sich der komplexe Fragmentierungsprozess simulieren und analysieren lässt. Experimente dienten dazu, die Modelle zu kalibrieren und zu validieren. Mithilfe der validierten Simulationen kann die experimentelle Datenbasis erheblich erweitert werden. Zudem lassen sich Fragmentgrößen und -geschwindigkeiten für unterschiedliche Materialien und Aufprallbedingungen vorhersagen.

Eine besondere Herausforderung bestand darin, die nach dem Aufprall entstehenden, sehr kleinen und schnellen Fragmente zuverlässig zu charakterisieren. Sie lassen sich nicht ohne Weiteres einsammeln und anschließend vermessen. Deshalb entwickelte das Fraunhofer EMI ein spezielles synthetisches Diagnosewerkzeug, das mithilfe eines Algorithmus zur Erkennung und Verfolgung von Fragmenten experimentell ermittelte und simulationsbasierte Fragmentstatistiken automatisiert miteinander vergleicht. 

Das Ergebnis ist ein robustes, experimentell validiertes Werkzeug, das die Weiterentwicklung und Optimierung des Disruption Mitigation Systems unterstützt. Es kann dazu eingesetzt werden, das Design der Shattering Unit zu verbessern und Aufprallbedingungen zu bestimmen, die zu den gewünschten Fragmentverteilungen führen. Darüber hinaus können die mit dem validierten Modell vorhergesagten Eigenschaften der Fragmentwolke als Eingangsgrößen für nachfolgende magnetohydrodynamische Simulationen von Tokamak-Plasmen mit Codes wie JOREK dienen. Damit trägt die Forschung dazu bei, Spitzenlasten auf die Reaktorwand zu reduzieren, Schäden zu minimieren und Stillstandszeiten zu verkürzen – wichtige Voraussetzungen für sichere und langfristig wirtschaftlich tragfähige Fusionskraftwerke.

Oder etwas salopper formuliert: Die Forschenden des Fraunhofer EMI untersuchen, wie sich das Eis möglichst geschickt brechen lässt.

Das Fraunhofer EMI führte die Arbeiten im Rahmen des Vertrags IO/21/CT/4300002337 von 2021 bis 2026 mit der ITER-Organisation durch.