Viele der globalen Herausforderungen im Bereich der nachhaltigen Energieversorgung können gelöst werden, wenn wir die Kraft der Sonne durch Fusionsenergie nutzbar machen. Tokamaks sind Geräte, mit denen der Einsatz von Fusionsenergie auf der Erde auf ihre Praxistauglichkeit getestet wird. ITER, der nach seiner Fertigstellung der größte Tokamak der Welt sein wird, ist das Ergebnis jahrelanger Forschung und zahlreicher Ressourcen. Mithilfe von COMSOL Multiphysics hat eine Forschergruppe untersucht, ob die Tritium-Brutmodule (TBMs) in ITER magnetische Störungen erzeugen, die zu unzulässigen Plasmaverlusten führen könnten.
Der Tokamak ITER: Die Erzeugung von Fusionsenergie für eine bessere weltweite Energieversorgung
Wenn Wasserstoffatome mit hoher Geschwindigkeit kollidieren, verschmelzen sie zu Helium und setzen große Mengen an Energie frei. Dieser als thermonukleare Fusion bekannte Prozess ist die Energiequelle der Sonne und der Sterne und hat das Potenzial, eine nachhaltige, ausreichende und effiziente Energiequelle für die Erde zu werden. Doch wie können wir diese Energie für uns nutzbar machen?
Tokamaks sind experimentelle Maschinen zur Energiegewinnung durch Kernfusion. Der Begriff stammt von einem russischen Akronym, das übersetzt „eine toroidale Kammer mit Magnetspulen“ bedeutet. Diese Geräte, die extrem groß bis klein genug für einen Tisch sein können, erzeugen ein Magnetfeld, das Plasma in Form eines Torus einschließen kann. Dieser gesamte Prozess führt zu genau den Atomkollisionen und -fusionen, die die Fusionsenergie erzeugen. Zu den Komponenten eines Tokamaks gehören ein großes Vakuumgefäß, supraleitende Magnete, die das Magnetfeld zur Kontrolle des Plasmas erzeugen, Blanket-Module, ein Divertor am Boden der Maschine zur Kontrolle von Abgasen und Abfall sowie ein Kryostat, der die supraleitenden Magnete kühl hält.
Der Tokamak ITER soll beweisen, dass die Erzeugung von Fusionsenergie auf der Erde möglich und umsetzbar ist, und Nettoenergie erzeugen. Nettoenergie liegt vor, wenn die Gesamtmenge der erzeugten Fusionsenergie größer ist als die Energiemenge, die zur Erhitzung des Plasmas benötigt wird. ITER wird die erzeugte Energie nicht nutzen, und die Eingangsleistung umfasst auch nicht die zur Erzeugung des Magnetfelds benötigte Leistung.
Ein maßstabsgetreues Modell, das einen Teil des Tokamaks ITER zeigt. Bild von Rama – Eigenes Werk. Lizenziert unter CC BY-SA 2.0 France über Wikimedia Commons.
ITER bedeutet auf Lateinisch „der Weg“ und ist ein Gemeinschaftsprojekt von Tausenden von Wissenschaftlern. Nach Abschluss der Bauarbeiten wird es sich mit einem Gesamtgewicht von 23.000 Tonnen um die größte Tokamak-Anlage der Welt handeln. Sieben Hauptakteure sind am Bau und Betrieb von ITER beteiligt: China, die Europäische Union, Indien, Japan, Korea, Russland und die USA. Aber auch viele andere sind auf die eine oder andere Weise involviert, wie Finnland, wo die in diesem Blog-Beitrag vorgestellten Forscher ansässig sind.
Die experimentellen Tests für ITER haben noch nicht begonnen, da der Bau eines Projekts dieser Größe viel Zeit, Ressourcen und Fachwissen erfordert. Das Fundament für ITER wurde im August 2014 fertiggestellt, und das Untergeschoss und die unteren Ebenen des Projekts befinden sich derzeit im Bau. Während die Fertigstellung von ITER noch Jahre in der Zukunft liegt, kann der Nachweis, dass es sich um ein tragfähiges Konzept handelt, dank der Simulation bereits jetzt erbracht werden.
Bewertung von Test-Blanket-Modulen für die Erbrütung von Tritium
Eines der Hauptziele des Tokamaks ITER ist die Demonstration der Produktion von Tritium in seinem Vakuumgefäß. Tritium, ein Isotop von Wasserstoff, wird für den Betrieb von ITER und jedem anderen Tokamak benötigt, um Fusionsenergie zu erzeugen. Leider ist der natürliche Vorrat an Tritium weltweit begrenzt und reicht nicht aus, um unseren Energiebedarf zu decken. Glücklicherweise kann Tritium in einem Tokamak erzeugt werden, wenn Neutronen aus dem Plasma entweichen und mit dem Lithium interagieren, das sich in den Blanket-Strukturen befindet.
Um den Erfolg dieses als Tritium-Brüten bekannten Prozesses sicherzustellen, müssen Tests in einer echten Fusionsumgebung durchgeführt werden. Wie bereits erwähnt, ist ITER jedoch noch nicht für tatsächliche Tests bereit. Vorläufig haben Forscher der Aalto-Universität in Finnland und von Fusion for Energy, der für die europäischen Beiträge zum ITER-Projekt verantwortlichen Organisation, COMSOL Multiphysics verwendet, um eine Iteration der Tritium-Brutmäntel, sogenannte Test-Blanket-Module (TBMs), zu testen.
Es gibt sechs verschiedene Design-Iterationen der TBMs, wobei diese Forscher das europäische Design untersucht haben. TBMs sind riesige Blöcke aus ferritischem Material, die durch das starke Magnetfeld des Tokamaks ITER magnetisiert werden. Wenn die TBMs magnetisiert werden, stören sie das Magnetfeld, das das Plasma für die Fusionsenergie einschließt. Taina Kurki-Suonio, die Leitung des Forschungsteams, erzählt, dass es bei diesem Vorgang tatsächlich so aussieht, als würden Finger von den Rändern des Plasmas aus nach den TBMs greifen.
Ein Einblick in die komplexe Physik des Tokamaks ITER.
Die durch die Magnetisierung der TBMs verursachten Störungen sind nicht besonders stark, könnten aber möglicherweise die Einschließung der sehr energiereichen Ionen, wie der durch die Fusionsreaktionen erzeugten Alphateilchen, im Plasma verschlechtern. Diese Ionen kollidieren meistens nicht, sondern folgen den Feldlinien des Magnetfelds. Bei Feldlinien in der Nähe der Gefäßwände könnten schnelle Ionen mit Materialstrukturen kollidieren und die Wand langsam erodieren oder sogar Bestandteile der Wand zerstören. Jeder noch so kleine Defekt oder Fehler in ITER könnte kosten- und zeitaufwändige Reparaturen verursachen. Glücklicherweise können die magnetische Störung der TBMs und die daraus möglicherweise resultierende Verschlechterung des Plasmaeinschlusses und der Gefäßwände durch numerische Studien in 3D quantifiziert werden.
Berechnung des Magnetfelds und des Vektorpotenzials des Tokamaks ITER
Um die TBMs zu überprüfen und mögliche Ausfälle zu vermeiden, berechneten die Forscher das Magnetfeld und das Vektorpotenzial von ITER, was für die Analyse der Plasmaantwort wichtig ist. Zunächst bewerteten sie die Magnetisierung der ferritischen Komponenten. Dazu wurden alle stromführenden Komponenten, also alle Spulen und der Plasmastrom, zusammen mit den FIs und TBMs in COMSOL Multiphysics eingegeben.
Das Magnetfeld aus dieser Berechnung wäre ansonsten für Studien zu schnellen Ionen geeignet gewesen (dafür waren die Felder gedacht), aber aufgrund von Speicherbeschränkungen konnte das Plasma-Netz nicht so dicht wie nötig gemacht werden. Daher übernahm das Team nur die magnetisierten ferritischen Komponenten aus der ersten Berechnung mit COMSOL Multiphysics und fügte sie in ein anderes Modell mit einem dichteren Plasma-Netz ein. Durch Überlagerung des Störungsfeldes aus dieser Berechnung mit dem Feld, das unter ausschließlicher Verwendung des Biot-Savart-Gesetzes aus den Strömen in den Spulen und im Plasma berechnet wurde, konnten sie Qualitätsfelder mit Beiträgen aller erforderlichen Komponenten ermitteln.
Konsta Särkimäki, ein weiterer Forscher im ITER-Simulationsteam, berichtet, dass das Team sehr gerne mit COMSOL Multiphysics gearbeitet hat, weil die Geometrie, das Vernetzen, die Physik und die Löser alle in einem einzigen Paket enthalten sind. Da sie das MATLAB®-Skript des gesamten Modells von Grund auf neu geschrieben hatten, waren auch die Schnittstellenfunktionen von LiveLink™ for MATLAB® sehr nützlich.
Zu den komplexen Komponenten der ITER-Geometrie gehören 18 toroidale Feldspulen, die D-förmig und supraleitend sind und zur Einschließung des Plasmas verwendet werden, jeweils 6 poloidale Feldspulen und zentrale Magnetfeldspulen sowie das stromführende Plasma, das als toroidal symmetrisch angenommen wird. Der Querschnitt des Plasmas wird durch ein rechteckiges Netz abgedeckt. Der gesamte Torus, die Hauptform des Tokamaks, ist in einer endlichen Kugel von 14 Metern und einer unendlichen Elementhülle eingeschlossen.
Die Modellgeometrie der Spulen und ferritischen Komponenten des Tokamaks ITER (links) und die vernetzte Geometrie mit dem in Blau dargestellten Plasma (rechts).
Die TBMs selbst wurden nach dem europäischen Modell des heliumgekühlten Kugelhaufens (Helium-Cooled Pebble Bed, HCPB) modelliert. Ferritische Einsätze (Ferritic Inserts, FIs), eine weitere Komponente der Geometrie, wurden zusammen mit den TBMs als ferromagnetische Materialien modelliert. Der Zweck der FIs besteht darin, die Schwankungen im toroidalen Feld im Tokamak zu reduzieren, die durch die nur 18 toroidalen Feldspulen verursacht werden.
Eine vernetzte TBM-Geometrie (links) und FI-Modelle mit zunehmender Detailtiefe (rechts).
Das Team entfernte kleine Modelldetails und vereinfachte viele seiner Komponenten, da ITER in seiner jetzigen Form viel zu groß und detailliert für die Finite-Elemente-Analyse ist. Dennoch entstand am Ende ein enormes Modell mit über 200 Millionen Freiheitsgraden sowie einem Rechengebiet, das von einem 10-Meter-Radius bis zu Elementen von nur wenigen Millimetern reichte. Selbst bei Verwendung des iterativen Lösers in COMSOL Multiphysics benötigte das Modell etwa 800 GB RAM und 3 Tage, um mit einem finnischen Supercomputer namens Taito mit 32 CPUs gelöst zu werden.
Die TBM-Geometrie vor (links) und nach (rechts) der Vereinfachung.
Unter Verwendung des AC/DC Module bezogen die Forscher toroidale und poloidale Feldspulen und toroidales Plasma als freie Ströme ein. Sie erstellten MATLAB®-Routinen, um den Einheitsvektor parallel zur Wirbelsäulenkurve der toroidalen Spulen zurückzugeben und die Größe der toroidalen Plasmastromdichte zu berechnen. Alle Gebiete im Modell erhielten die gleichen elektrischen Eigenschaften.
Anhand ihrer Simulation konnten die Forscher die Flussdichte und das Vektorpotenzial für verschiedene Betriebsszenarien des Tokamaks ITER berechnen. Die mit COMSOL Multiphysics berechneten Ergebnisse kombinierten sie mit den anhand des Biot-Savart-Gesetzes ermittelten Feldern, um das gesamte Magnetfeld der Anlage zu erhalten.
Die Ergebnisse zeigen die magnetische Flussdichte und das Vektorpotenzial des Tokamaks für das Gesamtfeld (obere Reihe) und das Feld aufgrund der ferromagnetischen Komponenten (untere Reihe).
Anschließend wurde das Magnetfeld für die Eingabe in spektrale Plasmaantwortcodes in toroidale Fourier-Komponenten zerlegt.
Die toroidalen Fourier-Komponenten, die sich aus dem berechneten Magnetfeld ergeben.
Die in dieser Simulation ermittelten Magnetfelder wurden anhand früherer Arbeiten verifiziert und stimmten gut überein.
Ausblick auf die Ziele der Fusionsenergie
Das Forschungsteam führte mit den Daten aus seinem COMSOL Multiphysics-Modell mehrere Studien durch. Zu diesen Forschungsarbeiten gehört eine Studie über die Einschließung schneller Ionen und wie diese durch extern erzeugte magnetische Störungen beeinflusst werden. Eine weitere Studie befasste sich damit, wie das Plasma von ITER auf diese Störungen reagiert. Särkimäki merkt an, dass das Forschungsteam sich im Allgemeinen einig ist, dass die mit COMSOL Multiphysics modellierten Magnetfelder die detailliertesten sind, die sie bisher haben. Dank der Simulation ist unsere Welt der nachhaltigen Fusionsenergie einen Schritt näher gekommen.
Weitere Lektüre
- Lesen Sie den vollständigen Forschungsbericht: S. Äkäslompolo et al, “Calculating the 3D magnetic field of ITER for European TBM studies,” Elsevier B.V., 2016.
- Halten Sie sich über Entwicklungen und Neuigkeiten zum Tokamak ITER auf dem Laufenden
- Lesen Sie diesen Blog-Beitrag, um mehr über das (grundlegende) Modellieren von Spulen im AC/DC Module zu erfahren
- Haben Sie 3 Minuten Zeit? Schauen Sie dieses Video zur Modellierung der rechnergestützten Elektromagnetik
MATLAB ist eine eingetragene Marke von The MathWorks, Inc.
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