Kompression der Wartezeit auf eine Zukunft mit Fusion
General Fusion arbeitet mit Veryst Engineering zusammen, um die Magnetized Target Fusion (MTF) in einem Proof-of-Concept-Fusionsreaktor zu simulieren und besser zu verstehen.
Von Joseph Carew
Juli 2025
Magnetized-Target-Fusion-Kraftwerke haben das Potenzial, mit vergleichsweise kostengünstiger Technologie und ohne Freisetzung von Kohlenstoffemissionen erhebliche Mengen an Energie zu erzeugen. In einem MTF-Reaktor wird Wasserstoffplasma (zum Beispiel Deuterium-Tritium oder D-T) in einen Flüssigmetallbehälter injiziert, der sich im Inneren des Fusionsreaktors befindet. Der Flüssigmetallbehälter wird dann durch eine Reihe von Kolben komprimiert und umgeformt, wobei sich die Dichte und Temperatur des enthaltenen Plasmas auf Fusionsbedingungen erhöhen – und es schließlich zur Fusion kommt! In einer kommerziellen Anlage wird dieser Vorgang einmal pro Sekunde wiederholt. Die flüssige Metallwand fängt die Energie der Neutronen ein, wandelt sie in Wärme um und leitet sie dann zu einem Wärmetauscher, um Dampf zu erzeugen und schließlich Strom zu produzieren.
Die Ingenieure von General Fusion wollen die MTF dazu nutzen, Fusionsenergie in das kommerzielle Stromnetz zu bringen. Mit dem Bau der Lawson Machine 26 (LM26), der großtechnischen Fusionsdemonstrationsanlage von General Fusion, wurde ein wichtiger Meilenstein auf diesem Weg erreicht. Durch den Einsatz von Multiphysik-Simulationen ist es General Fusion gelungen, LM26 zu entwerfen und zu optimieren – ein großer Schritt in Richtung der fusionsbetriebenen Zukunftsvision des Teams.
LM26 nutzt die elektromagnetische Kompression eines Lithium-Liners um Fusionsbedingungen zu erreichen
Ende 2024 wurde LM26 gebaut (Abbildung 1), um die Risiken für die spätere großtechnische Kommerzialisierung des MTF-Reaktors von General Fusion zu minimieren. Die Projektziele für LM26 sind das Erreichen von 1 keV, 10 keV und schließlich das Erreichen des wissenschaftlichen Breakeven.
LM26 ist so konzipiert, dass ein sphärisches Tokamak-Plasma in die Kammer injiziert und mithilfe eines festen Lithium-Liners komprimiert wird, um fusionsrelevante Plasmatemperaturen zu erreichen. Während der Kompression wird durch einen axialen Stromfluss in der Sanduhrstruktur ein toroidales Magnetfeld erzeugt, das das Plasma begrenzt und stabil hält. Dieser Prozess erzeugt die Plasmatemperaturen und -dichten, die zur Fusion von Plasmaionen und zur Freisetzung von Energie in Form von Neutronen führen.
Im MTF-Kraftwerkskonzept von General Fusion (Abbildung 2) lösen Kolben den Kompressionsprozess aus, nicht wie bei LM26 Magnetspulen. Die Kolben sind ein Alleinstellungsmerkmal des Ansatzes von General Fusion, da andere Fusionsverfahren auf supraleitenden Spulen, Lasern oder anderen teuren Geräten basieren.
„Bei der MTF gilt: Je größer das anfängliche Plasmavolumen, desto länger bleibt es heiß, wodurch wir mehr Zeit haben, das Plasma auf Fusionsbedingungen zu komprimieren“, erklärt Jean-Sebastien Dick, Engineering Analysis Manager bei General Fusion. „Bei General Fusion haben wir den Prozess wiederholt optimiert und einen Betriebspunkt für Kraftwerke entwickelt, der nicht nur wirtschaftlich rentabel, sondern auch wettbewerbsfähig gegenüber anderen Energiearten auf dem Markt ist.“
Modellierung der magnetomechanischen Kompression eines festen Lithium-Liners
LM26, bei dem ein fester Lithium-Liner komprimiert wird, ist für das Erreichen der wichtigen Temperaturschwellenwerte von 1 keV, 10 keV und den wissenschaftlichen Breakeven ausgelegt. Mit der COMSOL Multiphysics® Software konnte das Team die internen Effekte modellieren, um die Leistung des LM26-Designs vorherzusagen (Abbildung 3).
„Als ich zu General Fusion kam und die Herausforderungen sah, vor denen wir standen, dachte ich, dass COMSOL Multiphysics eine großartige Ergänzung für unsere Softwareausstattung wäre“, so Dick. „Das hat uns zu Veryst Engineering geführt, einem renommierten Experten im Bereich Multiphysik. Dort kennt man sich sehr gut mit COMSOL aus.“
Kalibrierung eines Lithium-Materialmodells mit Unterstützung von Veryst Engineering
Die Partnerschaft von General Fusion mit Veryst Engineering, einem COMSOL Certified Consultant und Ingenieurbüro, das sich auf hochgradig nichtlineare Simulationen und Materialmodellierung spezialisiert hat, war für die Entwicklung des LM26 von entscheidender Bedeutung. Sean Teller, leitender Ingenieur bei Veryst, arbeitete gemeinsam mit Dick an der Entwicklung von Materialmodellen, mit denen das Team die Reaktion des Lithium-Liners genau simulieren konnte. Diese Informationen waren für die genaue, prädiktive Modellierung der LM26-Liner-Trajektorien von entscheidender Bedeutung, sodass General Fusion den LM26 entwickeln und aufbauen konnte.
Teller erklärt: „Wir haben die Simulation mit COMSOL Multiphysics mit integrierten Versuchsplänen und Validierungen eingesetzt, damit das Team von General Fusion die Designs für LM26 schnell iterieren konnte. Die Vorhersagen der Modelle sind entscheidend, um die Fusionsbedingungen auf dem Weg zu einer realisierbaren sauberen Fusionsenergie zu erreichen.“
Einer dieser experimentellen Zugversuche umfasste die Messung des Materialverhaltens von festem Lithium. Mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera und Kraftmessdosen erhitzten Veryst und General Fusion das Lithium mit zwei Keramikheizelementen und zogen die Probe bis zum Bruch, um das Spannung-Dehnungs-Verhältnis zu messen (Abbildung 4). Die Ergebnisse dieser Experimente wurden anschließend zur Kalibrierung eines Johnson-Cook-Modells verwendet (Abbildung 5).
„Das vollständige Modell ist sehr komplex“, so Teller. „Es nutzt ein bewegliches Netz für das Lithium und das komprimierte Plasma, nichtlineare Festkörpermechanik und das Johnson-Cook-Materialmodell. Elektromagnetische Kräfte aus modellierten Schaltkreisen treiben die Kompression des Lithiums an. Der Lithium-Liner trifft auf die Sanduhrvorrichtung, daher ist die Erfassung des nichtlinearen Kontakts für genaue Vorhersagen von entscheidender Bedeutung.“ Der zwischen all diesen Modellkomponenten stattfindende Wärmetransport erhöht die Komplexität weiter.
Verschiedene LM26-Designs konnten gleichzeitig und in derselben Umgebung der COMSOL®-Software bewertet werden. Veryst und General Fusion verwendeten einen zeitabhängigen, vollständig gekoppelten Löser und automatisches Neuvernetzen, um die großen Verformungen und Drücke im Inneren des LM26 zu erfassen.
„All dies erforderte eine enge Abstimmung zwischen den physischen Tests und den Finite-Elemente-Modellen, um grundlegende Erkenntnisse über dieses Kompressordesign zu gewinnen“, sagt Teller.
Während der Validierungskampagne der Modelle, die zur Entwicklung von LM26 führte, komprimierte General Fusion 40 Lithium-Liner mittels elektromagnetischer Kompression, um das COMSOL-Modell zu validieren. Das Team führte physische Experimente mit einem kleinen Prototyp des Kompressionssystems durch (Abbildung 6).
Um die Verformung des Liners zu messen, entwickelte General Fusion eine Structured-Light-Reconstruction-Technik. Dabei wurden Laserstrahlen verwendet, um die Geschwindigkeit an mehreren Punkten im Liner zu ermitteln. General Fusion setzte außerdem Photonen-Doppler-Velocimetrie ein, um die Geschwindigkeit des Mittelpunkts des Lithium-Liners zu messen. Durch diese Kombination konnte General Fusion die in den physischen Experimenten beobachtete Verformung nachbilden und zur Validierung mit den Simulationsergebnissen vergleichen. Anschließend verwendeten sie dieses geschwindigkeits- und temperaturabhängige Materialmodell (Abbildung 5) in nachfolgenden Simulationen des Plasmakompressors und stellten eine hohe Übereinstimmung zwischen den Testdaten und den Daten aus früheren Versuchen fest.
„Die Leistung des Kompressors wäre ohne die Erkenntnisse aus den frühen Simulationen und insbesondere aus dem multiphysikalischen Modell, das die Entwicklung dieses Designs vorangetrieben hat, nicht möglich gewesen“, so Teller. „Diese Validierungen stärken das Vertrauen in zukünftige Modellierungsbemühungen, um die Geräte weiter zu verbessern, damit sie das Lawson-Kriterium erfüllen und saubere Energie liefern.“
Anpassung der Kompressorimpedanz
Eine der Schlüsselkomponenten des LM26 ist sein elektromagnetischer Kompressor, der für die schnelle Kompression des magnetisierten Plasmas verantwortlich ist. Ein erfolgreiches Design eines elektromagnetischen Kompressors muss in der Lage sein, seine Impedanz an die Kompressionszeit des Reaktors anzupassen. Wenn Impedanz und Kompression dem gleichen Zeitmaß folgen, ermöglicht dies eine „effiziente Kompression“, bei der die elektrische Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Eine „effiziente Kompression“ wandelt einen erheblichen Teil der ursprünglich gespeicherten elektrischen Energie in kinetische Energie um.
Mithilfe von Modellierung und Simulation konnte General Fusion die Impedanz der Stromversorgung anpassen, die Auswirkungen von Designänderungen auf die Leistung untersuchen und die Kompressionseffizienz maximieren.
Für das Tuning der Impedanz nahm Dick mithilfe der Software Anpassungen an der Anzahl der Windungen in den Spulen des Kompressors vor, veränderte den anfänglichen Abstand zwischen dem Liner und den Spulen (bekannt als „Luftspalt“) und passte die Kompression des Liners entlang seiner Bewegungsbahn an. Darüber hinaus muss die Form des Liners entlang der Kompression kontrolliert werden, um ein stabiles Plasma zu gewährleisten. Dies erfordert eine Iteration der Liner-Dicke und des axialen Abstands zwischen den Spulen. Dick löste das Modell nach verschiedenen Designanpassungen und verglich die Ergebnisse, um festzustellen, ob der Reaktor eine stabile Plasmakompression erreichen konnte.
„Wir haben mehrere Materialcharakterisierungskampagnen durchgeführt, um sicherzustellen, dass dieser Liner unter den hohen Dehnungsraten und plastischen Verformungen, denen er in diesen Kompressoren ausgesetzt ist, wie erwartet funktioniert“, sagt Dick.
Validierung der Modelle
Wie bei den Versuchsaufbauten zur Validierung der Materialeigenschaften führte General Fusion interne Validierungen durch, um sicherzustellen, dass die Advektion des Magnetfelds durch den Liner mit den analytischen Vorhersagen übereinstimmte.
„Wir haben mit jeder dieser Spulen einen separaten Test durchgeführt, um ihren Widerstand und ihre Induktivität in ihren Schaltkreisen abzustimmen und sicherzustellen, dass sie so genau wie möglich mit unseren experimentell gemessenen Werten übereinstimmen“, sagt Dick.
Um die Lösungszeit zu verkürzen, stützte sich Dick auf eine 2D-achsensymmetrische Simulation (Abbildung 7) des Betriebs des Reaktors.
Mehr Datenpunkte durch Simulation
„Dank des COMSOL-Frameworks konnten wir die Komplexität schrittweise erhöhen, Vertrauen in unsere Designvorstellungen aufbauen und wiederholte Designphasen vermeiden“, so Dick. „Wir mussten keine wesentlichen Teile dieser Experimente ändern. Sie verliefen stets wie vorgesehen.“
Das Team von General Fusion kann seine Simulationen außerdem in einem wesentlich kürzeren Zeitrahmen durchführen. Dies ist dem Einsatz des Cluster-Sweep-Knotens in COMSOL Multiphysics zu verdanken, mit dem ein großer Cluster-Job erstellt werden kann, der sich über mehrere Knoten verteilt. Je mehr Knoten hinzugefügt wurden, desto mehr Parameterwerte können parallel berechnet werden. General Fusion nutzte dieses Feature, um mehrere Parameter schneller zu bearbeiten.
„Früher hätten diese Simulationen mehrere Wochen oder sogar Monate in Anspruch genommen, doch nun können wir sie in weniger als 24 Stunden durchführen“, sagt Dick. „In dieser Zeit können wir auf unserem Cluster Hunderte von Simulationen durchführen.“
Das Team konnte die Daten aus der Simulation nutzen, um einen sicheren Betriebsbereich für den Reaktor zu entwickeln.
Die Zukunft der Simulation und der Fusionsenergie
Mithilfe von Simulation konnte das Team von General Fusion die Komplexität seines LM26-Designs schrittweise erhöhen. Die Kombination aus Realversuchen und multiphysikalischen Simulationen war für die Entwicklung des Proof-of-Concept-Modells von entscheidender Bedeutung. Multiphysik-Simulation und Fusionsforschung werden auch weiterhin untrennbar miteinander verbunden sein, wenn das Team die Fusionsenergie auf ein neues Niveau hebt.
LM26 hat im Februar 2025 erstmals Plasma erzeugt und bildet nun regelmäßig Plasmen, während das Team von General Fusion seine Leistung optimiert, um den nächsten Schritt vorzubereiten – die Kompression von Plasmen zur Fusion und Erzeugung von Wärme.
„Wir betrachten nicht mehr nur die Aerodynamik, die Fluiddynamik oder die Strukturdynamik getrennt, sondern setzen alles zusammen“, so Dick. „Mir gefällt die Herangehensweise von COMSOL an die Welt der Simulation sehr gut. Ich mag den kanonischen, inkrementellen Ansatz, bei dem man Komplexität aufbauen kann, indem man die physikalischen Aspekte wie Puzzleteile zusammensetzt. Ich glaube, dass dies die Zukunft der Simulation sein wird, da Innovationen sehr komplex sind und viele verschiedene physikalische Aspekte miteinander kombiniert werden müssen.“