Fusionsenergie ist wegen ihres Potenzials zur Erzeugung von kohlenstofffreier und skalierbarer kommerzieller Energie seit langem gefragt. Commonwealth Fusion Systems (CFS), ein Startup-Unternehmen für Fusionsenergie, das aus dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) hervorgegangen ist, hat das Potenzial von Hochtemperatur-Supraleitermagneten (HTS) und Hochfeld-Tokamaks für Fusionsmaschinen aufgezeigt. Trotz dieser Fortschritte gibt es jedoch noch eine Reihe von Herausforderungen, die mit der Entwicklung eines Tokamaks verbunden sind, der großflächig Fusionsenergie erzeugen kann. Um dieses Problem anzugehen, wandte sich CFS der Multiphysik-Modellierung zu – mit dem Ziel, die materiellen Beschränkungen zu verstehen und Erkenntnisse für den Entwurf seiner zukünftigen Hochfeld-Tokamaks zu gewinnen.
Die Kraft der Tokamaks: Fusion in kleinerem Maßstab
Tokamaks erreichen einen höheren Fusionsgewinn, also das Verhältnis der erzeugten Fusionsleistung zur für den Betrieb erforderlichen Leistung, indem sie größer werden und/oder stärkere Magnetfelder nutzen. Aufgrund der supraleitenden Magnettechnologie waren Tokamaks bis vor kurzem nur begrenzt in der Lage, von Letzterem zu profitieren, sodass Entwickler gezwungen waren, massive Exemplare wie den International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) zu bauen, um einen höheren Fusionsgewinn zu erzielen. Als Alternative untersuchten CFS und das MIT Alcator-Tokamaks, die aus Kupfermagneten und höheren Magnetfeldern bestehen. Diese Tokamaks tauschen jedoch lediglich das Problem der Größe gegen die Einschränkungen des widerstandsfähigen Materials Kupfer ein, das im Betrieb deutlich mehr Strom verbraucht als frühere Konstruktionen. Daher sei diese Alternative keine tragfähige Option für eine wirtschaftliche Fusionsenergie, erklärt Dan Brunner, Mitbegründer und Fusion Technical Fellow von CFS, während eines Keynote-Vortrags auf dem COMSOL Day: Nuclear Fusion.
Anschließend arbeiteten CFS und das MIT zusammen, um einen Hochfeld-Tokamak zu entwickeln, der durch die Verwendung von HTS-Materialien stärkere Magnetfelder nutzen kann, ohne die Größenprobleme und Einschränkungen früherer Designs zu haben. Zu diesem Zweck bauten und verwendeten sie einen HTS-Magneten mit voller Leistung und nahezu voller Größe. CFS arbeitet nun an SPARC, einem Proof-of-Concept-Tokamak mit dem Ziel eines Netto-Fusionsgewinns. Darüber hinaus strebt CFS die Entwicklung eines Kraftwerks namens ARC an, das Anfang der 2030er Jahre Fusionsenergie ins Netz einspeisen soll. Um dieses Ziel zu erreichen, vertieft CFS sein Wissen über SPARC durch Simulationen.
„Jetzt müssen wir nicht mehr von groß zu noch größer gehen, sondern können einfach ein bisschen größer werden, aber höhere Magnetfelder verwenden, um einen funktionsfähigen Fusionsreaktor zu entwickeln“, sagte Brunner.
Abbildung 1. Der voraussichtliche Zeitplan für das ARC-Fusionsgerät von CFS. Bild mit freundlicher Genehmigung von CFS.
Mit Simulation Fusionshürden überwinden
Die Modellierung von Tokamaks ist bekanntermaßen ein anspruchsvolles Projekt, und dennoch ist es CFS mithilfe der Software COMSOL Multiphysics® gelungen, die Designs System für System zu zerlegen, die darin wirkenden Kräfte zu simulieren und komplexe Phänomene zu beobachten.
Berechnung von Kühlmitteln und Kühlsystemen
Supraleiter müssen auf einer kryogenen Temperatur gehalten werden, um zu funktionieren und thermische Instabilitäten wie Quenching zu vermeiden. Sie arbeiten notwendigerweise in unmittelbarer Nähe der fast unvorstellbar intensiven Energiequelle, die durch die Kernfusion in SPARC entsteht, was eine Herausforderung darstellt. CFS wandte sich der Simulation zu, um mögliche Lösungen zu testen. „Die Kühlung ist von größter Bedeutung, da viele verschiedene Energiequellen in den Supraleiter eindringen können“, sagt Brunner. „Um die Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten, muss ein Kryogen durchfließen.“
Abbildung 2. Die Kabel innerhalb von SPARC werden mit kryogenem Fluid durchströmt sein, um die Temperatur des Supraleiters aufrechtzuerhalten. Bild mit freundlicher Genehmigung von CFS.
Brunner und sein Team modellierten drei der gängigsten kryogenen Fluide (Wasserstoff, Helium und Neon) in den Temperaturbereichen, die sie in SPARC erfahren würden, und sahen sich dann die Ergebnisse ihrer thermischen Simulationen an. Anhand dieser Daten konnten sie die Vor- und Nachteile der verschiedenen möglichen Kühlsysteme untersuchen, ohne jemals Supraleiter oder andere Materialien einem unnötigen Risiko auszusetzen.
Abbildung 3: Durch die Fusionswärme wird viel Energie in die Kabel geleitet, weshalb die Supraleitung zu erlöschen droht. Dies macht es erforderlich, verschiedene kryogene Fluide zu testen. Bild mit freundlicher Genehmigung von CFS.
Messung der Materialfestigkeit unter den richtigen Bedingungen
Abgesehen von der Kühlung lieferte die Simulation auch wertvolle Informationen über die Kräfte, denen die Materialien in SPARC ausgesetzt sind. Typischerweise werden die Strukturen von Hochfeld-Tokamaks extrem beansprucht, wobei dies insbesondere für HTS-Designs aufgrund ihres starken Magnetfelds gilt. Die auf die Strukturen einwirkenden Kräfte nehmen mit dem Quadrat des Magnetfelds zu, was zu einer erheblichen Belastung der Materialien im gesamten Tokamak führt. Die von Natur aus niedrigen Belastungsgrenzen von Supraleitern machen eine Simulation zur Messung der zu erwartenden Kräfte noch notwendiger.
Der durch das Magnetfeld fließende Strom erzeugt eine Kraft auf die Spulen, welche die Struktur zu bewältigen hat. CFS stellte fest, dass ihre multiphysikalischen Modelle in der Lage waren, die Festigkeits- und Steifigkeitsgrenzen verschiedener Legierungen bei den benötigten kryogenen Temperaturen (etwa 20 K) zu bewerten und so Informationen für das zukünftige Design von SPARC bereitzustellen. Mithilfe der Simulation der auf diese Maschinen einwirkenden Kräfte kann CFS klare Belastungs- und Beanspruchungsgrenzen festlegen, denen ihre Konstruktionen standhalten müssen.
Steuerung der auf das Vakuumgefäß wirkenden Kräfte
Außerdem hat CFS Simulationen zur Designoptimierung von SPARCs Vakuumgefäß, einer großen Stahllegierungsstruktur zur Luftabdichtung und Plasmareinhaltung, eingesetzt, um Spannungs- und Temperaturspitzen zu reduzieren. Im Allgemeinen sind es große, vorübergehende Kräfte, die das Design des Vakuumgefäßes prägen, und in diesem Zusammenhang hat sich die Simulation als besonders nützlich erwiesen. Die dem Plasma zugewandte Seite des Gefäßes muss so konstruiert sein, dass sie sehr große (~10 MW/m2) Wärmeströme aus dem Fusionsplasma im Tokamak abführen kann.
Abbildung 4. SPARC, der Proof-of-Concept-Tokamak, der gerade von CFS gebaut wird.
Aus Stabilitätsgründen wird das Plasma im Inneren von einem toroidalen Strom durchflossen, doch ein Kontrollverlust dieses Stroms kann zu einer Störung führen. Dadurch können hohe Kräfte entstehen, welche bei der Gesamtkonstruktion berücksichtigt werden müssen. Mit transienten Elektrizitäts- und Magnetismus-Simulationen wurde sichergestellt, dass die von CFS verwendeten Materialien diesen Störungen standhalten können.
In diesem Teil des Vortrags geht Brunner auf Simulationen ein, die im Rahmen des Advanced Divertor eXperiment (ADX) am MIT durchgeführt wurden. Das in diesem Experiment verwendete Vakuumgefäßdesign, dessen zeitabhängigen Magnetfelder und die daraus resultierenden Kräfte, Spannungen und Verschiebungen mit COMSOL Multiphysics® untersucht wurden, ist ein Vorläufer der aktuellen Tokamak-Entwürfe des Unternehmens. (Mehr zu dieser Arbeit erfahren Sie hier.)
Abbildung 5. Die obere Geometrie des ADX-Strukturmodells weist violette Ränder auf, an denen die Struktur befestigt ist. Die Ergebnisse der Spannungs- und Verschiebungssimulation weisen darauf hin, dass eine Verstärkung der Konstruktion erforderlich ist. Die untere Modellgeometrie zeigt einen zusätzlichen befestigten Rand, der einem dem ADX-Design hinzugefügten Stützblock entspricht. Bild mit freundlicher Genehmigung von CFS.
Mit Simulation zur kommerziellen Fusionsenergie
Fortschritt bringt neue Herausforderungen mit sich, die es zu bewältigen gilt. CFS sieht supraleitende Magnete als Schlüssel zur Zukunft der magnetischen Fusion. Allerdings wurde in zahlreichen Designbereichen Optimierungsbedarf festgestellt. Obwohl jedes Beispiel mit der Software COMSOL Multiphysics modelliert werden konnte, kann dies mit einem hohen Rechenaufwand verbunden sein. Daher waren sowohl Kreativität als auch Softwareentwicklung gefragt.
Das IT-Team von CFS richtete mehrere Amazon Web Services (AWS) HPC6as ein, um die verfügbare Rechenleistung zu verteilen. Dadurch konnte das Team seine Kapazität sowohl vertikal als auch horizontal erweitern, sodass nun mehr Aufgaben gleichzeitig ausgeführt und mehr CPUs pro Aufgabe auf mehr als 50.000 Kernen verwendet werden können. Möglich wurde dies durch die Floating Network License (FNL) von COMSOL, die die äußerst komplexen Fusionssimulationen erheblich vereinfacht hat. „Dadurch konnten wir unsere Simulationszeit und -kosten um mindestens 50 Prozent reduzieren, was eine schnellere Ausführung ermöglicht. Es hat uns auch ermöglicht, Entscheidungen in einem für unsere Arbeit entscheidenden Zeitrahmen zu treffen“, so Brunner.
Nächster Schritt
Sehen Sie sich die aufgezeichnete Keynote-Präsentation von CFS an, um mehr über den herausfordernden Prozess der Fusion und die Entwicklungen in diesem Bereich zu erfahren.
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