Multiphysik-Simulation Ein virtueller Einblick in die Kernfusion

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Mit der Lawson Machine 26 bringt General Fusion erstmals eine großskalige Fusionsanlage zum Laufen. Beherrscht durch Multiphysik-Simulation statt Trial-and-Error. Wenn Plasma, Metall und Magnetfelder in Millisekunden kollidieren, zählt nur Physik.

Die Entwicklung von Fusionsanlagen stellt Ingenieure vor extreme technische Herausforderungen. Mit der Lawson Machine 26 ist es General Fusion erstmals gelungen, eine im großen Maßstab angelegte Fusionsdemonstrationsanlage erfolgreich in Betrieb zu nehmen. Kontinuierlich wurde der Entwicklungsprozess durch eine Multiphysik-Simulation unterstützt, mit der sich hochdynamische, nichtlineare Prozesse realitätsnah abbilden und gezielt optimieren ließen.

Die kontrollierte Nutzung von Fusionsenergie gilt als eine der anspruchsvollsten Aufgaben moderner Energietechnik. Während viele Forschungsansätze auf Tokamaks oder lasergetriebene Trägheitsfusion setzen, verfolgt General Fusion mit der sogenannten Magnetized Target Fusion einen anderen Weg. Dabei wird ein magnetisiertes Plasma in einen festen oder flüssigen Metallbehälter eingebracht und anschließend komprimiert, um die für Fusionsreaktionen erforderlichen Temperaturen und Drücke zu erreichen.

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Die Lawson Machine 26, kurz LM26, dient dabei als Demonstrationsanlage, um zentrale physikalische und technische Fragestellungen zu klären und Risiken für spätere kommerzielle Anlagen zu reduzieren. Im Fokus steht die elektromagnetische Kompression eines Lithium-Liners, der das Plasma innerhalb weniger Millisekunden auf Fusionsbedingungen bringt. Die dabei auftretenden Kräfte, Deformationen und thermischen Effekte sind so extrem, dass klassische Entwicklungs- und Testmethoden schnell an ihre Grenzen stoßen.

Wenn Physik nicht getrennt betrachtet werden kann

Die Kompression des Lithium-Liners ist ein Paradebeispiel für ein hochgradig gekoppeltes physikalisches System. Elektromagnetische Kräfte treiben die Bewegung, mechanische Spannungen führen zu plastischer Verformung, gleichzeitig verändern sich Materialeigenschaften durch Temperaturanstieg, während das eingeschlossene Plasma stabil gehalten werden muss. Jede Änderung an elektrischen Parametern oder an der Geometrie wirkt sich unmittelbar auf mehrere Physikbereiche aus.

Um diese Wechselwirkungen realistisch abzubilden, setzte General Fusion von Beginn an auf eine integrierte multiphysikalische Modellierung. Comsol Multiphysics ermöglichte es, elektromagnetische Felder, Strukturmechanik, Wärmetransport und externe Schaltungen innerhalb eines einheitlichen, zeitabhängigen Modells zu koppeln und konsistent zu berechnen.

Von der Materialprobe zur Anlagengeometrie

Ein zentraler Baustein des Entwicklungsprozesses war die realitätsnahe Modellierung des Lithium-Liners. Unter den extremen Belastungen während der Kompression zeigt Lithium ein stark nichtlineares, raten- und temperaturabhängiges Materialverhalten. Um dieses korrekt abzubilden, wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt. In Zusammenarbeit mit Veryst Engineering entstanden Zugversuche, bei denen Lithiumproben unter kontrollierten Temperaturbedingungen mit hohen Dehnraten bis zum Versagen belastet wurden.

Die experimentell gewonnenen Daten dienten zur Kalibrierung eines Johnson–Cook-Materialmodells, das anschließend direkt in die multiphysikalischen Simulationen integriert wurde. Auf dieser Basis konnten die Ingenieure die Trajektorien und Deformationen der Lithium-Liner während der elektromagnetischen Kompression zuverlässig vorhersagen.

Die Simulationen selbst wurden zeitabhängig und vollständig gekoppelt durchgeführt. Große Deformationen, sich ändernde Kontaktbedingungen und extrem kurze Zeitkonstanten erforderten den Einsatz automatischer Remeshing-Verfahren, um numerische Stabilität und Genauigkeit sicherzustellen. Um den Rechenaufwand beherrschbar zu halten, kam auch ein 2D-achsensymmetrisches Modell zum Einsatz, das die wesentlichen physikalischen Effekte erfasst, jedoch deutlich effizienter berechnet werden kann als ein vollauflösendes 3D-Modell.

Ein besonderer Fokus lag auf der Anpassung der Kompressorimpedanz zwischen Stromversorgung und mechanischer Dynamik des Liners. Nur wenn elektrische und mechanische Zeitkonstanten aufeinander abgestimmt sind, lässt sich ein hoher Anteil der gespeicherten elektrischen Energie in kinetische Energie umwandeln. Mithilfe der Simulation konnten Parameter wie Spulengeometrie, Windungszahl und Abstand zwischen Spulen und Liner gezielt variiert werden, um die Kompressionseffizienz zu maximieren.

Die Validierung der Modelle erfolgte durch eine enge Verzahnung von Simulation und Experiment. Insgesamt wurden 40 Lithium-Liner elektromagnetisch komprimiert, um die numerischen Ergebnisse zu überprüfen. Messmethoden wie Structured Light Reconstruction und Photon Doppler Velocimetry lieferten detaillierte Deformations- und Geschwindigkeitsprofile, die eine hohe Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen zeigten. Dieses iterative Vorgehen erlaubte es, die Modellkomplexität schrittweise zu erhöhen und gleichzeitig Vertrauen in die Vorhersagen aufzubauen.

Schnellere Entwicklungszyklen durch parallele Simulation

Ein wesentlicher Vorteil des gewählten Ansatzes zeigte sich in der Geschwindigkeit des Entwicklungsprozesses. Mithilfe von Cluster-Sweep-Funktionen konnten umfangreiche Parameterstudien parallel auf Rechenclustern ausgeführt werden. Simulationsläufe, die früher Wochen oder Monate benötigt hätten, ließen sich so innerhalb weniger als 24 Stunden durchführen. Dies ermöglichte es dem Entwicklungsteam, Designentscheidungen auf einer deutlich breiteren Datenbasis zu treffen und sichere Betriebsbereiche frühzeitig zu definieren.

Relevanz für andere Hightech-Anwendungen

Auch wenn die LM26 ein außergewöhnliches Projekt darstellt, ist der zugrunde liegende Simulationsansatz auf viele andere Anwendungsfelder übertragbar. Insbesondere in der Leistungselektronik, in Hochstromsystemen oder bei komplexen elektromagnetisch-mechanischen Aktoren treten ähnliche Kopplungen zwischen elektrischen, thermischen und strukturellen Effekten auf. In solchen Systemen kann integrierte multiphysikalische Simulation entscheidend dazu beitragen, Entwicklungsrisiken zu reduzieren und Innovationszyklen zu verkürzen.

Zentrales Entwicklungswerkzeug

Mit der erfolgreichen Inbetriebnahme der Lawson Machine 26 hat General Fusion gezeigt, dass multiphysikalische Simulation längst zu einem zentralen Entwicklungswerkzeug geworden ist. Sie ermöglicht es, extrem komplexe Energiesysteme schrittweise zu beherrschen und fundierte Designentscheidungen zu treffen. Während die Anlage nun weiter optimiert wird, bildet der entwickelte Workflow bereits heute die Grundlage für den nächsten Schritt auf dem Weg zur kommerziellen Nutzung der Fusionsenergie. (mr)

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