Plasmarand in Theorie und Experiment

Dr. Victoria Winters leitet seit 2025 eine neue Nachwuchsgruppe an der Universität Greifswald zur Erforschung des Plasmarandes am IPP-Stellarator Wendelstein 7-X – gefördert vom Bundesforschungsministerium BMFTR. Hier erklärt sie ihre Forschung.
 

 

Welche Rolle spielt der Plasmarand in Stellaratoren für die Fusionsforschung?

Wenn Menschen an Fusion denken, denken sie oft an das brennende Plasma im Kern. In Wirklichkeit spielt jedoch der Randbereich eine ebenfalls entscheidende Rolle dabei, Fusionsreaktoren für den Betrieb nutzbar zu machen. Ohne einen gut kontrollierten Randbereich wird das gesamte System instabil. Die Abfuhr von Wärme und Partikeln ist dabei besonders wichtig. Wenn wir die Wärme nicht effektiv abführen – beispielsweise durch Strahlung –, riskieren wir, die dem Plasma ausgesetzten Komponenten zu beschädigen oder sogar zum Schmelzen zu bringen. Und wenn wir die durch die Fusion entstehende Helium-„Asche“ nicht entfernen, führt dies zu einer Ver- dünnung des Brennstoffs, wodurch die selbsttragende Reaktion vollständig zum Erliegen kommen kann. In Stellaratoren kann die Lösung des Problems noch komplexer sein als in Tokamaks. Die besondere Geometrie in Stellaratoren führt zu unterschiedlichen Längenskalen und verschiebt die Dominanz verschiedener Transportphänomene. Diese Komplexität hat jedoch auch ihre Vorteile: Stellaratoren bieten weitaus mehr Flexibilität bei der Gestaltung der magnetischen Geometrie am Plasmarand. Wir haben es mit einer sehr spannenden Optimierungsaufgabe zu tun. Gleichzeitig haben wir beim Stellarator noch Nachholbedarf beim Verständnis im Vergleich zu den bereits besser erforschten Tokamak-Konstruktionen. Weil unsere Arbeit für private Fusionsunternehmen mit ehrgeizigen Zeitplänen wichtig ist, müssen wir hier zunehmend die Balance finden zwischen tiefgreifender Optimierung und kurzfristigen, praktischen Lösungen.

Was ist das Ziel Ihrer neuen Nachwuchsforschungsgruppe?

Unsere Gruppe konzentriert sich darauf, die Lücke zwischen den heutigen Stellarator-Experimenten und zukünftigen Reaktorkonstruktionen zu schließen. Dazu konzentrieren wir uns auf die Validierung fortschrittlicher 3D-Simulationscodes – ein entscheidender Schritt, um die Vorhersagemodelle für Fusions- anwendungen zuverlässig zu machen. Wir verfolgen einen hybriden Ansatz, der Simulation und Experiment kombiniert. Auf der experimentellen Seite entwickeln wir Diagnosetechniken wie die Neon- Linienverhältnis-Spektroskopie weiter und entwerfen Validierungsexperimente, die unsere Modelle in reaktorrelevanten Szenarien wie dem „Detachment“, also dem gezielten Abkühlen des Plasmas am Divertor, testen. Auf der Simulationsseite integrieren wir kontinuierlich neue physikalische Modelle und numerische Techniken, um sie genauer und umfassender zu machen. Wir führen Simulationen im Reaktormaßstab durch, um zu verstehen, wie sich die Fusionsleistung verändert, wenn wir von heutigen Geräten auf zukünftige extrapolieren. Auf diese Weise wollen wir einfache Skalierungsbeziehungen – in Bezug auf Gerätegröße, Leistung oder Geometrie – aufdecken, die in Stellarator- Systemcodes integriert werden können. Damit wird sich die Optimierung von Stellaratorkonzepten in frühen Entwicklungsphasen steuern lassen.

Was motiviert Sie persönlich in Ihrer Forschung?

Ich finde den Plasmarand in Stellaratoren ein unglaublich faszinierendes Thema, bei dem ich immer etwas Neues lerne. Es handelt sich um ein komplexes, vielschichtiges System, für dessen Verständnis man Atomphysik, Plasmadynamik und Ingenieurwesen zusammenbringen muss. Meine Forschung fühlt sich weniger wie Arbeit an, sondern eher wie ein Hobby, dem ich professionell nachgehen kann. Darüber hinaus motiviert mich die Aussicht, noch zu Lebzeiten das erste Fusionskraftwerk zu sehen. Die Fusion ist ein seltenes Beispiel für eine wirklich multinationale wissenschaftliche Gemeinschaft, die auf ein gemeinsames Ziel hinarbeitet, und Teil dieser Zusammenarbeit zu sein, gibt meiner Arbeit einen Sinn.

Victoria Winters promovierte 2019 an der Universität Wisconsin Madison. Danach wurde sie Wissenschaftliche Mitarbeiterin am IPP. Seit 2025 ist sie an der Universität Greifswald beschäftigt.