SOLARIS – Scrape-Off-Layer-Analyse und Verfeinerung in Stellaratoren

Die Nachwuchsgruppe SOLARIS (Scrape-Off Layer Analysis and Refinement In Stellarators) an der Universität Greifswald, gefördert durch das Bundesforschungsministerium, konzentriert sich darauf, die Lücke zwischen experimentellen Fusionsanlagen und solchen im Kraftwerksmaßstab in der Stellarator-Randphysik zu schließen. Die Arbeitsgruppe ist am IPP-Standort Greifswald tätig und experimentiert am IPP-Stellarator Wendelstein 7-X.
 

Die Gruppe wird modernste 3D-Simulationswerkzeuge validieren und dafür speziell geplante Experimente am Greifswalder Stellarator Wendelstein 7-X nutzen. Dadurch sollen vereinfachte Modelle und Skalierungen entwickelt werden, die eine Extrapolation auf Wärmeabfuhrszenarien in Stellaratoren im Kraftwerksmaßstab ermöglichen. Die Nachwuchsgruppe wird vom Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert.

Motivation:

Ein künftiger Fusionsreaktor mit magnetischem Einschluss benötigt eine geeignete Lösung für die Abfuhr von Energie und Teilchen am Plasmarand. Dieser Bereich muss speziell für die Wärme- und Teilchenabfuhr optimiert werden. Beide Aspekte stellen eine erhebliche Herausforderung dar: Wärmeflüsse im Kraftwerksmaßstab liegen typischerweise weit über den heutigen materialtechnischen Grenzen (>10 MW/m²) und würden ohne Strahlungsabfuhr zur Zerstörung von Materialoberflächen führen. Gleichzeitig muss Heliumasche effizient abgepumpt werden, um eine Verdünnung des eingeschlossenen Plasmas zu verhindern – andernfalls sinkt die Fusionsleistung.

In jedem Fusionsexperiment mit magnetischem Einschluss sind diese Prozesse hochkomplex und nichtlinear (da sie Transport neutraler Teilchen, Atomphysik und Plasmaphysik auf mehreren Längenskalen umfassen), die Physik des Stellarator-Randes ist jedoch wegen der 3D-Geometrie und der unzähligen möglichen magnetischen Konfigurationen besonders herausfordernd. Diese Freiheitsgrade eröffnen zwar Optimierungsmöglichkeiten, allerdings ist unser Wissen davon, welche Wärmeabfuhr-Szenarien im Stellarator-Rand die bestmöglichen sind, noch am Anfang. Angesichts der kurzen Zeithorizonte, die Fusions-Start-ups für den Bau von Stellarator-Kraftwerken anstreben, ist eine gezielte Anstrengung nötig, um die Kluft zwischen heutigen Experimenten und Anlagen im Kraftwerksmaßstab zu überbrücken.

Forschungsansatz:

Die SOLARIS-Nachwuchsgruppe verfolgt einen kombinierten Ansatz aus Modellierung und Experiment: Experimentell stehen eigens geplante Experimente sowie die Entwicklung zusätzlicher Diagnostiken im Fokus, um eine solide Datengrundlage für die Validierung der modernsten Simulationswerkzeuge zu schaffen. Dadurch gewinnen wir mehr Vertrauen in Simulationen von Anlagen im Kraftwerksmaßstab.  Gleichzeitig arbeiten wir daran, ein Verständnis für die wichtigsten Faktoren zu entwickeln, welche die Leistung des Stellarator-Divertors bestimmen. Diese Faktoren verwenden wir in einfachen Skalierungen oder Modellen, mit denen wir die heutige Maschinenleistung auf den Reaktormaßstab extrapolieren können.

 

 

Beispiele für die Aktivitäten der Gruppe sind

• die Entwicklung einer 2D-Bildgebung der Plasmatemperatur und -dichte unter abgekoppelten (detached) Bedingungen im Wendelstein 7-X-Insel-Divertor mittels Neon-Linienverhältnis-Spektroskopie,
• Skalierung des anomalen Transports im Insel-Scrape-Off Layer mit Plasmaparametern,
• Eingangsleistung und Inselgeometrie und
• qualitatives/quantitatives Verständnis der Plasma-Drift-Effekte im Insel-Scrape-Off Layer durch Modellierung.

All diese Arbeiten fließen in die Simulationen von Experimenten auf Kraftwerksgröße ein.

Ausblick:

Gut validierte Simulationswerkzeuge und vereinfachte Modelle sind für das Design künftiger Stellarator-Fusionsreaktoren unverzichtbar. Die von uns angestrebten Skalierungen und vereinfachten Modelle können in Systemcodes für Stellaratoren implementiert werden – ein erster Schritt im Reaktor-Optimierungsprozess. Gleichzeitig geben uns die Validierungsexperimente am Wendelstein 7-X das notwendige Vertrauen, die Bedingungen im Divertor von Experimenten auf Kraftwerksgröße quantitativ vorhersagen zu können – eine unabdingbare Voraussetzung, um Schäden (und damit verbundene kostspielige Wartungsarbeiten) an den plasmaexponierten Materialkomponenten (PFCs) zu vermeiden.