Detaillierte Datenanalyse erlaubt genaue Vorhersagen der Divertorbelastung in ITER

Ein von IPP-Wissenschaftlern angeführtes Team hat ein Modell entwickelt, das genaue Vorhersagen von Wärmeflüssen für das ITER-Design erlaubt und auf Daten von mehreren europäischen Fusionsexperimenten basiert.

Auf dem Weg zu einer zukünftigen, CO₂-freien und sicheren Energieversorgung durch Fusionsreaktoren, ist ITER der nächste große Schritt. Dieses Experiment, welches derzeit in Frankreich gebaut wird, trägt viele Gene des IPP-Experiments ASDEX Upgrade.

Insbesondere soll ITER im sogenannten H-Mode-Szenario betrieben werden,  wobei H-Mode für einen besonders günstigen (High-Confinement Mode) Plasmaeinschluss steht,  welcher bereits 1982 im IPP entdeckt wurde.

Dieser gute Einschluss der Energie und Teilchen im heißen Fusionsplasma ist jedoch von periodisch modulierten Wärmeflüssen auf die Wand des Reaktors begleitet, welche durch magnetohydrodynamische Moden im Plasma hervorgerufen werden und die Nutzbarkeitsdauer dieser Wandkomponenten limitieren könnten.

Um genauere Aussagen darüber treffen zu können, welche Materialen hier besonders geeignet sind und inwieweit die Plasmaparameter optimiert werden können um eine möglichst lange und daher kommerziell günstige Betriebsweise eines Reaktors zu ermöglichen, hat ein Team unter Führung von IPP-Wissenschaftlern solche Wärmeflussdaten sehr genau analysiert.

Dazu wurden Daten der Fusionsexperimente MAST (England), ASDEX Upgrade (IPP) und JET (EUROfusion) kombiniert und ein Modell für die Extrapolation zu ITER und zukünftigen Reaktoren entwickelt. Die Kombination dieser drei europäischen Experimente ist dabei essentiell, da hiermit neben den Plasmaeigenschaften, wie dem Druck am Plasmarand, ebenfalls der Einfluss der Maschinengröße bestimmt werden konnte. Dazu sei angemerkt, dass ITER bezüglich seines Radius' etwa doppelt so groß ist wie JET, etwa viermal so groß wie ASDEX Upgrade und etwa achtmal so groß wie MAST.

Das Modell beschreibt, hier vereinfacht dargestellt, dass der Wärmefluss auf die Wand proportional dem Produkt aus Radius und Plasmadruck ist. Der Vergleich der gemessen Daten mit den Modellrechnungen ist in der Grafik dargestellt, sowie ebenfalls die vorausgesagten Werte für ITER.

Zusammenfassend darf festgestellt werden, dass das am IPP entwickelte Modell eine deutlich genauere und zudem günstigere Projektion der Wärmeflüsse für ITER angibt, welche im Weiteren für das ITER-Design angewendet werden wird.

Diese Arbeit wurde kürzlich von T. Eich, B. Sieglin und Mitarbeitern in "Nuclear Materials and Energy" veröffentlicht:
https://doi.org/10.1016/j.nme.2017.04.014