Die Bedeutung der kontrollierten Abschaltung von Fusionsreaktoren für die Sicherheit der Kernfusion

Die kontrollierte Deaktivierung von Fusionsplasmen: Ein kritischer Aspekt der Fusionsenergiesicherheit

Die Forschung an der Kernfusion als potenziell nachhaltige Energiequelle schreitet voran, wobei erhebliche Investitionen von Regierungen und privaten Unternehmen weltweit getätigt werden. Während die Komplexität der Zündung und Aufrechterhaltung eines Plasmas bei Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius im Vordergrund steht, ist ein weiterer entscheidender Aspekt die sichere und kontrollierte Abschaltung eines Fusionsreaktors. Dieser sogenannte "Ramp-Down"-Prozess birgt spezifische Herausforderungen, die bei unzureichender Steuerung zu erheblichen Schäden an der Anlage führen können. Die Entwicklung fortschrittlicher Steuerungsmethoden, einschließlich des Einsatzes künstlicher Intelligenz, ist daher von grosser Bedeutung für die zukünftige kommerzielle Nutzung der Fusionsenergie.

Herausforderungen beim Abschalten eines Fusionsreaktors

In Tokamak-Reaktoren, einer der am weitesten entwickelten Bauformen für Fusionsanlagen, wird das extrem heisse Plasma durch starke Magnetfelder in einer ringförmigen Kammer eingeschlossen. Die Kontrolle dieses Plasmas ist während des gesamten Betriebs kritisch. Beim Abschalten des Reaktors, dem "Ramp-Down", müssen die physikalischen Parameter des Plasmas, wie Temperatur, Dichte, Strom und Magnetfelder, in kurzer Zeit drastisch und kontrolliert verändert werden. Eine gängige Strategie ist das Deaktivieren des Plasmastroms. Diese Methode kann jedoch dazu führen, dass das Plasma seine Stabilitätsgrenzen überschreitet und unkontrollierbar wird. Solche Instabilitäten können das Plasma dazu bringen, mit den Innenwänden des Reaktors in Kontakt zu treten, was kostspielige und zeitaufwendige Reparaturen zur Folge hätte.

Die Komplexität des Plasmas während des Ramp-Downs, bei dem sich viele physikalische Grössen schnell ändern, erschwert die Simulation und damit die präzise Kontrolle. Dies erfordert innovative Ansätze zur Vorhersage und Steuerung des Plasmaverhaltens.

KI-Modelle zur Optimierung des Ramp-Down-Prozesses

Forschungseinrichtungen wie das Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben sich dieser Herausforderung angenommen und KI-Modelle entwickelt, um den Abschaltprozess zu simulieren und sicherer zu gestalten. Ein Team des MIT kombinierte maschinelles Lernen mit experimentellen Daten aus physikalischen Plasma-Experimenten. Das Modell, ein sogenanntes Neural State-Space Model (NSSM), wurde mit Daten von über 300 Plasmaimpulsen, darunter fünf Hochenergie-Impulse, des Tokamaks TCV in Lausanne, Schweiz, trainiert und getestet.

Das Ziel des Modells war es, das Plasma ohne unkontrollierte Energiefreisetzung aufzulösen. Trotz der begrenzten Ausgangsdaten konnte das trainierte Modell bestimmte Plasmaverläufe (Trajektorien) simulieren, die einen kontrollierteren Ramp-Down ermöglichten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Vorgaben des Modells das Plasma in Testläufen am TCV schneller und störungsfreier abschwächten als bisherige Methoden. Diese Erkenntnisse könnten zukünftigen Tokamaks wie SPARC und ITER zugutekommen, indem sie eine präzisere Steuerung von Magnetfeldern und Temperaturen während der Abschaltung ermöglichen.

Sicherheitskonzepte und die Übertragbarkeit kerntechnischer Regelwerke

Das Sicherheitskonzept von Fusionskraftwerken basiert auf dem Prinzip der gestaffelten Sicherheitsebenen ("Defence in Depth"), ähnlich dem in der Kernspaltung angewandten Konzept. Es gibt jedoch fundamentale Unterschiede, die Anpassungen der Regelwerke erforderlich machen:

• Reaktivitätskontrolle und Brennstoffinventar: Im Gegensatz zu Kernspaltungsreaktoren, wo eine Kettenreaktion kontrolliert werden muss und ein grosses Inventar an Spaltprodukten vorhanden ist, ist der Fusionsprozess inhärent selbstbegrenzend. Die Fusionsreaktion im Plasma kommt bei Störungen schnell zum Erliegen, da nur eine geringe Menge Brennstoff (Deuterium und Tritium) für wenige Minuten Betriebszeit im Plasmagefäss vorhanden ist. Leistungsexkursionen durch positive Rückkopplungsmechanismen sind physikalisch ausgeschlossen, und eine Rekritikalität durch Brennstoff- oder Materialakkumulation ist unmöglich.
• Radioaktives Inventar: Das radiologische Inventar eines Fusionsreaktors besteht hauptsächlich aus Tritium und aktivierten Materialien in den Reaktorstrukturen. Im Vergleich zu Kernspaltungsreaktoren ist die Radiotoxizität des Tritiums und der aktivierten Strukturen um Grössenordnungen geringer. Zudem klingen die Halbwertszeiten der Fusionsrückstände deutlich schneller ab.
• Nachzerfallswärme: Obwohl auch in Fusionsrereaktoren nach der Abschaltung Nachzerfallswärme anfällt, ist die Leistungsdichte pro Masse um ein Vielfaches geringer als in Kernspaltungsreaktoren. Studien zeigen, dass bei geeigneter Auslegung der Anlage die Nachzerfallswärme durch passive Wärmeabfuhr beherrscht werden kann, ohne die Integrität der Sicherheitsbarrieren zu gefährden. Dies könnte die Anforderungen an aktive Kühlsysteme reduzieren.
• Barrieren und Rückhaltefunktionen: Das Sicherheitskonzept der Fusion sieht gestaffelte Barrieren vor. Der Vakuumbehälter dient als erste Barriere, gefolgt von weiteren Einschlusssystemen und dem Reaktorgebäude. Die Integrität dieser Barrieren wird durch passive und aktive Massnahmen, wie Druckbegrenzungssysteme und Detritiierungssysteme, gewährleistet.
• Fusionsspezifische Phänomene: Das Vakuum im Plasmagefäss und die starken supraleitenden Magnetfelder erfordern spezifische Sicherheitsbetrachtungen, die in kerntechnischen Regelwerken keine direkte Entsprechung finden. Ein Vakuumverlust führt zum sofortigen Erlöschen des Plasmas, könnte aber andere Auswirkungen haben. Das "Quenchen" von Magneten, bei dem die Supraleitfähigkeit verloren geht, erfordert kontrollierte Energieentladungssysteme, um Druckanstiege und Schäden zu verhindern.

Die bisherigen Sicherheitsanalysen für Fusionskraftwerke, insbesondere im Rahmen der PPCS-Studien und des ITER-Projekts, zeigen, dass selbst bei angenommenen schweren Unfällen die radiologischen Auswirkungen auf die Umgebung deutlich unterhalb der internationalen Evakuierungsgrenzwerte liegen. Dies unterstreicht das inhärent günstige Sicherheitsprofil der Kernfusion.

Ausblick und zukünftige Anforderungen

Die Entwicklung detaillierterer Kraftwerkskonzepte für die Fusion wird eine weitere Konkretisierung des Sicherheitskonzepts erfordern. Dies beinhaltet eine systematische Zuordnung von Massnahmen und Einrichtungen zu den einzelnen Sicherheitsebenen, die Berücksichtigung externer Einwirkungen wie Erdbeben oder Flugzeugabstürze und die Anpassung der Regelwerke an fusionsspezifische Technologien und Materialien. Das Ziel ist es, Fusionskraftwerke so zu gestalten, dass keine externen Katastrophenschutzmassnahmen erforderlich sind.

Die Forschung konzentriert sich weiterhin auf die Entwicklung robuster Materialien, die den extremen Bedingungen in Fusionsreaktoren standhalten können, sowie auf die Verbesserung der Plasmakontrolle und -stabilisierung. Der Fortschritt in der KI-gestützten Simulation des Plasmaverhaltens, insbesondere des Ramp-Down-Prozesses, ist ein wichtiger Schritt, um die Sicherheit und Effizienz zukünftiger Fusionskraftwerke zu gewährleisten und die Kernfusion als nachhaltige Energiequelle der Zukunft zu etablieren.

Die Zusammenarbeit internationaler Projekte wie ITER und die kontinuierliche Forschung in Einrichtungen weltweit sind entscheidend, um die verbleibenden technologischen und physikalischen Herausforderungen zu meistern und die Vision einer sicheren und nahezu unbegrenzten Fusionsenergie in die Realität umzusetzen.

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