Seit den 1950er Jahren versuchen Wissenschaftler:innen, die Kraft der Kernfusion nutzbar zu machen. Wenn zwei Atomkerne mit hoher Geschwindigkeit zusammenstoßen, verschmelzen sie zu einem einzigen Kern, der weniger Masse hat als die Summe der beiden ursprünglichen Kerne und im Gegenzug Energie freisetzt. Könnte die Menschheit diese Energie effizient in einem ausreichenden Maßstab in Fusionsreaktoren aufrechterhalten, so wäre dies künftig eine sicherere kohlenstofffreie Stromquelle als Kernspaltung.
18. Juni 2025
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Forschende des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) arbeiten derzeit an einer der größten Herausforderungen auf dem Weg zur praktischen Anwendung der Fusion: die effektive Einschließung des ultraheißen Plasmas, das zur Aufrechterhaltung einer groß angelegten Fusionsreaktion erforderlich ist, in torusförmigen Kammern, sogenannten „Tokamaks“.
„Das Streben nach Fusionsenergie ist ein gewaltiges kollaboratives Vorhaben und die damit verbundenen Herausforderungen gehen weit über die von dem Verlust des Plasmaeinschlusses verursachten Störungen hinaus“, sagte Dr. Matthias Hölzl, Leiter der Gruppe für nichtlineare Magnetohydrodynamik (MHD) am IPP. „Dennoch sind Störungen eines der Hauptprobleme für die Durchführbarkeit des Tokamak-Konzepts als Ganzes. Wenn wir Reaktoren bauen wollen, die unser Leben tatsächlich mit Energie versorgen können, müssen wir verstehen, wie sich Störungen vermeiden und abmildern lassen.“
Hölzl und seine Mitarbeiter nutzen die HPC-Ressourcen des Höchstleistungsrechenzentrums Stuttgart (HLRS), um sich auf ein bestimmtes Phänomen zu konzentrieren, das Plasmastörungen so herausfordernd macht: hochenergetische „Runaway“-Elektronen, die durch den Verlust des Plasmaeinschlusses entstehen und große, lokal begrenzte Wärmebelastungen an den Wänden verursachen können.
Eine Fusionsreaktion im großen Maßstab zu erzeugen, ist keine Kleinigkeit: Es geht im Wesentlichen darum, die Sonne zu imitieren. Die Forscher schließen das Plasmamaterial in einem Tokamak ein und erhitzen es auf extrem hohe Temperaturen, bis Fusionsreaktionen stattfinden können. „Damit es zur Fusion kommt, muss der Brennstoff auf etwa 100 Millionen Grad Celsius erhitzt werden“, sagt Hannes Bergström, Doktorand am IPP und Autor eines Fachzeitschriftenartikels, der die neuesten Erkenntnisse beschreibt. „Bei diesen extremen Temperaturen sind die Elektronen nicht mehr an die Atomkerne gebunden, sondern die Materie befindet sich in einem Plasmazustand. Wir verwenden Magnetfelder, um das Plasma einzuschließen, indem wir es zum Teil mit Strom durchfluten. Das gesamte System wird in ein empfindliches Gleichgewicht gebracht, und es können Instabilitäten auftreten, die die Temperatur schnell abfallen lassen und die Reaktion unterbrechen.“
Unter diesen extremen Bedingungen lassen sich freigesetzte Elektronen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und werden dabei zu „relativistischen“ Teilchen. Durch Kollisionen können die Elektronen eine „Lawine“ mit immer mehr dieser hochenergetischen Teilchen auslösen. Ein solcher Strahl von Hochgeschwindigkeitsteilchen kann eine Gefahr für die Reaktorwand darstellen.
Da Experimente Maschinenprototypen beschädigen können, sind Plasmaphysiker:innen auf Simulationen angewiesen. In diesen möchten sie verstehen, wie es zu einer Elektronen-Lawine kommt und wie sie sich verhindern oder abschwächen lassen. Um das Plasma genau zu simulieren, verwenden Forschende das MHD-Verfahren, bei dem das Plasma als kontinuierliches Objekt und nicht als Ansammlung einzelner Teilchen behandelt wird. Die Herausforderung besteht darin, dass sich Runaway-Elektronen mit solchen Methoden nicht mit ausreichender Genauigkeit beschreiben lassen. Deswegen ist ein sogenannter hybrider fluid-kinetischer Ansatz erforderlich. Dieser Ansatz erfasst die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen dem Hintergrundplasma und den relativistischen Teilchen. Das Team war das erste, das ein solches Modell entwickelt hat.
Für eine genaue Simulation dieser komplizierten Prozesse benötigen Forschende HPC-Ressourcen. Mithilfe von Supercomputern führen sie die erforderlichen Berechnungen effizient durch, um zu berücksichtigen, wie sich die verschiedenen Eigenschaften während einer Reaktion gegenseitig beeinflussen. „Wir müssen die Entwicklung der Temperatur, den Teilchentransport, die Erzeugung von Runaway-Elektronen sowie die elektrischen und magnetischen Felder simulieren. Diese Dinge beeinflussen sich gegenseitig“, sagt Bergström. „Außerdem müssen wir den gesamten Tokamak realistisch in 3D modellieren und Unterschiede in den Zeitskalen berücksichtigen – eine Unterbrechung des Plasmas kann sich über Sekunden hinziehen, aber Runaway-Elektronen können schon nach wenigen Mikrosekunden verloren gehen.“
Das Team verwendet einen Code für die Magnetohydrodynamik, namens JOREK, um die Dynamik des Fusionsplasmas zu modellieren. Bis vor Kurzem war das Team nicht in der Lage, JOREK für die genaue Modellierung von Runaway-Elektronen nach Grundprinzipien zu verwenden, sondern musste es sich auf weniger genaue Flüssigkeitsmodelle verlassen, um sie in die Simulation einzubeziehen. Im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelte Bergström ein Modell für JOREK, das sowohl das Verhalten von Runaway-Elektronen genau simuliert als auch diese Reaktionen mit der allgemeinen Plasmadynamik in einer JOREK-Simulation verbindet. Mithilfe des Supercomputers Hawk am HLRS konnte das Team die Genauigkeit dieses zusätzlichen Modells überprüfen. Das Team erstellte eine Simulation eines Runaway-Elektronenstrahls, der den Plasmastrom während einer Unterbrechung stört und sich dann wieder in das kühlere Plasma zurückverwandelt, nachdem die Runaway-Elektronen an den Wänden verloren gegangen sind.
„Mit diesem neuen Modell können wir mit JOREK die Wechselwirkung zwischen Runaway-Elektronen und dem Rest des Plasmas mit einer Genauigkeit untersuchen, die früher einfach nicht möglich war“, so Hölzl. „Wir haben es getestet, um sicherzustellen, dass sich das Modell so wie von uns erwartet verhält. Jetzt müssen wir realistischere Szenarien mit größeren Plasmavolumina und längeren Zeitskalen simulieren, bei denen frühere Modelle uns möglicherweise nicht erklären können, was zu erwarten ist.“
Mit diesem neuen, in JOREK integrierten Modell wollen die Forschenden den Code weiterentwickeln, um die neueste Generation von HPC-Systemen am HLRS und den anderen GCS-Zentren zu nutzen. „Wir erwarten von dieser Arbeit eine erhebliche Beschleunigung und die Möglichkeit, längere Zeitskalen zu überbrücken – dies ist entscheidend, wenn wir Aspekte des Runaway-Elektronenprozesses untersuchen wollen, die auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen ablaufen“, sagte Hölzl.
Mit dem Zugang zu diesen beschleunigten HPC-Systemen hofft Hölzl, die Forschung in der Fusionssimulation weiter voranzutreiben . Aufbauend auf der Nachbildung der Bedingungen in einem Tokamakreaktor, der für die Fusionsgrundlagenforschung gebaut wurde, möchte er in der Zukunft den ITER simulieren – einen großen experimentellen Fusionsreaktor, der in Frankreich gebaut wird und bei seiner Inbetriebnahme in den frühen 2030er Jahren die bisher größte anhaltende Fusionsreaktion erzeugen soll. Hölzl merkte an, dass die genaue Simulation eines Reaktors in der Größenordnung vom ITER mit der vollen Komplexität des neuen Modells zwar noch jenseits der derzeitigen Möglichkeiten liegt, die Arbeit des Teams jedoch die Grundlage für künftige Simulationen bildet, die Einblicke in die nächste Generation des Tokamak ermöglichen.
„Die Erkenntnisse aus unserer Arbeit werden dazu beitragen, große Fusionsanlagen zuverlässiger und effizienter zu machen“, sagte er. „Die Größe zukünftiger Geräte erhöht die Rechenkosten dieser Simulationen um Größenordnungen. Das bedeutet, dass wir uns auf die Modellentwicklung, -validierung und -optimierung konzentrieren müssen. Die Verfügbarkeit leistungsfähiger Rechenressourcen ist nach wie vor unerlässlich.“
— Eric Gedenk
Bergström H, Liu SJ, Bandaru V, et al. 2025. Introduction of a 3D global non-linear full-f particle-in-cell model for runaway electrons in JOREK. Plasma Phys Control Fusion 67: 035004.
Hawk und Hunter werden vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg und dem Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt über das Gauss Centre for Supercomputing (GCS) gefördert.
