Stellarator-Konzept-Gruppe (SCG)
- Die Stellarator-Konzept-Gruppe (SCG) entwickelt neuartige Stellarator-Designs – von der Durchführung von Laborexperimenten bis hin zum Design von Reaktoren und Fusionskraftwerken. Sie erweitert dabei den Bereich dessen, was in zukünftigen Anlagen möglich sein wird.
- Wir befassen uns mit kritischen Problemen wie der Verringerung von Turbulenzen, dem Plasmaeinschluss oder der Komplexität von Spulen, beschäftigen uns aber auch mit grundlegenden Fragen zu optimierten Stellaratoren und alternativen Topologien und Symmetrien.
- Im Rahmen der Plasmaphysik entwickeln wir unsere eigenen theoretischen und rechnergestützten Werkzeuge und Methoden, um die Suche nach neuen Stellarator-Designs zu beschleunigen.
Unsere Interessen liegen in den Grundlagen. Sie dienen dem strategischen Bedürfnis nach der Entwicklung tragfähiger und wirtschaftlicher Lösungskonzepte für die Fusionsenergie.
Aufgabe
Wissenschaftler, die an der Optimierung von Stellaratoren arbeiten, übernehmen die Rolle von Architekten, die theoretische Plasmaphysik anwenden und sich dabei kontinuierlich über experimentelle Fortschritte informieren, um daraus Konzepte für zukünftige Experimente und Anlagen zu entwerfen. Das Endergebnis ist eine „magnetische Konfiguration“ – im Wesentlichen also die Form eines Magnetfeldes und die Anordnung seiner elektromagnetischen Spulen – die die physikalischen Eigenschaften des darin eingeschlossenen Plasmas festlegt. Derartige Konfigurationen bilden die Grundlage für alle weiteren Arbeiten am Gerätedesign.
Hier kommen unsere Kooperationspartner ins Spiel, darunter Ingenieure und andere Experten für Fusionswissenschaft und -technologie, wie die Mitglieder der IPP-eigenen Reaktorstudiengruppe, sowie eine Reihe von Privatunternehmen, die die Entwicklung der Fusionsenergie kommerzialisieren und beschleunigen wollen, z. B. Proxima Fusion, Gauss Fusion und Thea Energy. Jede Gruppe hat ihre eigene Vision und ihre eigenen Anforderungen an zukünftige Geräte.
Forschungshighlights
SQuIDs sind Stellarator-Designs, die erstmalig in der Stellarator-Konzept-Gruppe entdeckt wurden. Sie wurden mithilfe einer bahnbrechenden Methodik gefunden, die das Versprechen quasi-isodynamischer (QI) Stellaratoren einlöst, indem sie einen schnellen Teilcheneinschluss mit einer unübertroffenen Plasmastabilität in Einklang bringt [1]. Darüber hinaus werden sie durch reduzierte Turbulenzen für einen verbesserten Plasmaeinschluss weiter optimiert. Sie stehen in der Tradition von Wendelstein 7-X, überwinden jedoch dessen Grenzen und sind daher als Grundlage für einen Reaktor in einzigartiger Weise vielversprechend.
Optimierung des kritischen Gradienten (CG)
Turbulenzen, der Hauptmechanismus beim Wärmeverlust in magnetischen Fusionsplasmen, werden – aus der Perspektive der Stellarator-Optimierung – als etwas angesehen, das es zu minimieren gilt. Die Idee der Optimierung kritischer Gradienten besteht darin, sich stattdessen auf die Modellierung jener Plasmabedingungen zu konzentrieren, bei denen Turbulenzen auftreten, z. B. der sogenannte kritische Ionentemperaturgradient [2].
Das Quasi-Symmetric Turbulence Konzept (QSTK) ist ein quasi-helikalsymmetrischer Stellarator, der mithilfe der CG-Optimierung entwickelt wurde, um einen verbesserten Einschluss zu erreichen. Diese und andere für eine Fusionsanlage wünschenswerte Eigenschaften wurden mit numerischen Simulationen umfassend nachgewiesen [3].
Die CG-Optimierungsmethode wird derzeit auf QI-Stellaratoren ausgeweitet.
Theoretische Grundlagen
Grundlagen-Theorien, wie die asymptotischen Lösungen magnetischer Gleichgewichte, treiben den Entwurfsprozess von Stellaratoren an.
- Die Durchbrechung der Achsensymmetrie unter Beibehaltung der Quasi-Achsensymmetrie definiert eine Klasse einzigartiger Lösungen [4], die den kompakten Stellarator-Tokamak-Hybrid inspiriert haben, eine Reihe von Geräten, die von der SCG-Mitarbeiterin Sophia Henneberg entwickelt werden [5].
- Die Near-Axis-Theorie hat einen Raum von QI-Stellarator-Formen aufgezeigt, der größer ist als bisher angenommen, mit unterschiedlichen topologischen Eigenschaften und Symmetrien. Die systematische Erforschung dieses Raums ist in Zusammenarbeit mit E. Rodriguez im Gange und wird durch Fortschritte in der Near-Axis-Theorie ermöglicht [6, 7].
- Historisch gesehen war das erste Stellarator-Design Lyman Spitzers Figur 8. Diese elegante Form hat wenig Ähnlichkeit mit den skulpturalen Formen, die typischerweise aus der numerischen Optimierung resultieren, aber sie hat dennoch etwas zu lehren: Wenn wir Spitzers Gerät als einen modernen quasi-isodynamischen Stellarator neu konzipieren, erhalten wir ein Gerät mit einem radikal einfachen planaren Spulendesign [8]. Diese Arbeit wird in Zusammenarbeit mit der MHD-Gruppe unter der Leitung von F. Hindenlang [9] fortgesetzt.