Wenn der Wärmetransport umkippt: Simulationen erklären die Entstehung der H-Mode

Seit mehr als 40 Jahren gilt die H-Mode als das angestrebte Betriebsszenario für Fusionsanlagen vom Typ Tokamak. Doch warum sie plötzlich entsteht, ist nach wie vor ein Rätsel. Jetzt haben Physiker mit Hilfe von Simulationen erstmals eine Erklärung gefunden, die sich allein aus grundlegenden physikalischen Prinzipien ergibt. Die Arbeit erscheint im Fachjournal „Physical Review Letters“.

Am 4. Februar 1982 machten Forschende am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching eine Entdeckung, die bis heute die Kernfusionsforschung weltweit prägt. Bei Experimenten mit der Tokamak-Anlage ASDEX ging das heiße Plasma innerhalb von Millisekunden in einen Zustand über, bei dem sich die Wärme-Isolation verbesserte. Physiker nennen diese Messgröße „Einschlusszeit“. Erst bei entsprechend hohen Werten, ist überhaupt an den Bau und Betrieb eines Fusionskraftwerks zu denken, weil sich das Plasma bei zu großen Wärmeverlusten nicht aus sich selbst heraus heizen kann und erlischt. Dieser neue Zustand – die Wissenschaftler nannten ihn High Confinement Mode oder kurz H-Mode – wird heute in allen Tokamaks genutzt und soll auch in künftigen wie dem internationalen Großexperiment ITER in Südfrankreich zum Einsatz kommen. Er unterscheidet sich dramatisch vom bis dahin bekannten Zustand, der L-Mode (Low Confinement Mode).

Trotz unzähliger Experimente und theoretischer Erklärungsversuche blieb das Auftreten der H-Mode eine geheimnisvolle Erscheinung. Wissenschaftler konnten mit ihr arbeiten, aber sie verstanden nicht, warum sich die H-Mode bei einer bestimmten Leistung der Plasmaheizung einstellte. „Man wusste aus Erfahrung, bei welchem Leistungswert sich der Einschluss verbesserte. Und dieses Wissen extrapolierte man für das Design neuer, größerer Maschinen. Wenn man die Physik nicht versteht, können solche Hochrechnungen aber mit großen Unsicherheiten behaftet sein“, erklärt Dr. Wladimir Zholobenko, Physiker im IPP-Bereich Tokamaktheorie in Garching und dort Leiter einer Gruppe zur Entwicklung vorhersagefähiger Modelle für Randschichtturbulenz in Tokamaks und Stellaratoren.

Verbesserter GRILLIX-Code als Schlüssel für den Durchbruch

Bei der Suche nach einer fundierten Erklärung ist Dr. Zholobenko und seinen Forscherkollegen jetzt ein Durchbruch gelungen: Erstmals konnten die Wissenschaftler die Ausbildung der H-Mode mit Hilfe von Supercomputern allein aus grundlegenden physikalischen Prinzipien heraus qualitativ simulieren. Sie haben den Übergang zur H-Mode also nicht „hineinparametrisiert“, sondern in einer aufwändigen Simulation des Plasmarands selbst entstehen lassen. In ihrem Modell wird die Heizleistung schrittweise erhöht – und das Plasma darf darauf frei reagieren, Profile bilden, Strömungen aufbauen und Turbulenz entwickeln. Genau diese Art von „flux-driven“ Rand-Simulationen gilt als besonders anspruchsvoll. Die Forschenden nutzten und verbesserten dafür den am IPP entwickelten Softwarecode GRILLIX, mit dem man Turbulenz in Plasmarandschichten besonders gut nachbilden kann.

In früheren Arbeiten hatten sie bereits demonstriert, dass der Code die stationäre L- und H-Mode sehr gut simulieren kann. Solche Rechnungen dauern auf Supercomputern ein bis zwei Wochen und sind inzwischen Routine. Die Berechnung der Turbulenzentwicklung im Plasma am Übergang von der L- zur H-Mode über einen Zeitraum von 50 Millisekunden bedeutete allerdings eine neue Stufe der Komplexität. Sie beschäftigte einen Supercomputer ein ganzes Jahr.

Nach 32 Millisekunden kehrt sich der Wärmetransport um

Das Ergebnis: Nach einer längeren Phase langsamer Turbulenzentwicklung kommt es bei rund 32 Millisekunden Simulationszeit zu einer abrupten Umkehr des Wärmetransports im Plasma. Innerhalb von nur 100 Mikrosekunden baut sich am Rand ein sogenanntes Pedestal auf – jene steile Druck- und Temperaturkante, die für die H-Mode typisch ist.
Im entscheidenden Moment verschwindet schlagartig eine bestimmte Art von Mikroinstabilitäten und eine andere entsteht: Die Simulation offenbart einen abrupten Wechsel von Driftwellen-Turbulenz zu kinetischen Ballooning-Moden. Einen solchen Übergang hatte man teilweise bereits vermutet. „Aber die Simulation zeigt auch eine Überraschung: Der Wärmetransport nach außen wird dadurch nicht nur reduziert. Er dreht sich zeitweise sogar um und geht nach innen“, sagt Dr. Zholobenko. „Das ist eigentlich eine Verletzung thermodynamischer Gesetze, weil diese aber immer nur statistisch gelten, ist das für einen winzigen Sekundenbruchteil physikalisch möglich – bis sich die Transportrichtung wieder umdreht.“ Physiker nennen diesen Übergang zur H-Mode einen Phasenübergang in der Turbulenz, weil sich auch mikroskopisch ein abrupter Wechsel in der Phasenverschiebung zwischen Fluktuationen einstellt. Das heißt, die Turbulenz ändert ihre innere Organisation. Die Fluktuationen geraten plötzlich aus ihrem bisherigen Takt, und genau dadurch kippt der Wärmetransport.

Nächstes Ziel: quantitative Nachbildung des Übergangs zur H-Mode

Die Simulation orientierte sich an den Gegebenheiten des IPP-Tokamaks ASDEX Upgrade, sodass die numerischen Rechnungen mit experimentellen Ergebnissen verglichen werden konnten. Dabei zeigt sich, dass die Simulation genau diejenigen Effekte wiedergibt, die auch im Experiment zu beobachten sind. Quantitativ konnten die Forschenden allerdings noch keine befriedigende Übereinstimmung erzielen – das heißt: Reale Messwerte von ASDEX Upgrade liegen entweder über oder unter den simulierten Zahlen. „Wir sind noch nicht am Ziel, aber die Simulationen geben einen Aufschluss darüber, was noch fehlt“, sagt Dr. Zholobenko. „Deshalb werden wir den GRILLIX-Code weiter verbessern.“ Am Ende der Arbeiten soll ein Simulationsmodell stehen, das vorhersagen kann, bei welchen experimentellen Parametern die H-Mode in Fusionsanlagen auftritt, die bislang noch gar nicht gebaut wurden.

Das wäre dann ein digitaler Zwilling, der bereits lange vor seinem realen Bruder existierte.

Frank Fleschner

Link zur Originalpublikation: https://doi.org/10.1103/b2s6-b5c1