Fusion beginnt nicht erst im Reaktor – sie beginnt am Computer
Als ich heute in der Heidenheimer Zeitung gelesen habe, dass auf dem Gelände des ehemaligen Kernkraftwerks Gundremmingen künftig Komponenten für Fusionskraftwerke gefertigt werden sollen, musste ich zweimal hinsehen. Nur wenige Kilometer von unserem Unternehmenssitz in Heidenheim entfernt entsteht derzeit ein neuer industrieller Schwerpunkt für eine der spannendsten Zukunftstechnologien überhaupt.
Mein erster Gedanke war: Was für eine beeindruckende Entwicklung.
Mein zweiter Gedanke war allerdings: Eigentlich begleiten wir dieses Thema schon seit vielen Jahren.
Umso mehr freue ich mich, dass Merkle CAE Solutions künftig Teil des TIL-Fusion-Netzwerks ist. Für uns ist diese Mitgliedschaft kein Einstieg in ein neues Technologiefeld, sondern die konsequente Fortsetzung einer Entwicklung, die bereits vor Jahren begonnen hat.
Fusion ist für uns kein Neuland
Viele verbinden Kernfusion ausschließlich mit riesigen Tokamaks, supraleitenden Magneten oder extremen Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius.
Für Ingenieure beginnt die eigentliche Herausforderung jedoch viel früher.
Bevor ein Fusionsreaktor überhaupt gebaut werden kann, müssen unzählige technische Fragestellungen gelöst werden. Wie verhalten sich Bauteile unter extremen thermischen Belastungen? Welche Schwingungen treten bei außergewöhnlichen Lastfällen auf? Wie lassen sich hochsensible Komponenten vor Partikeln oder molekularen Verunreinigungen schützen? Und wie können all diese Fragen beantwortet werden, lange bevor überhaupt ein Prototyp existiert?
Genau hier beginnt die Welt der numerischen Simulation.
Unsere Erfahrungen aus ITER
ITER ist derzeit das weltweit größte Forschungsprojekt zur Entwicklung der Kernfusion und gilt als wichtiger Schritt auf dem Weg zu zukünftigen kommerziellen Fusionskraftwerken.
Bereits vor einigen Jahren durften wir gemeinsam mit verschiedenen Partnern an Projekten im Umfeld des internationalen Fusionsprojekts ITER in Cadarache mitarbeiten.
Ein Schwerpunkt war dabei die Kontaminationskontrolle innerhalb der Reaktorsektoren. Bereits kleinste metallische oder organische Partikel können die Funktion hochsensibler Komponenten beeinträchtigen. Gleichzeitig erstreckt sich der Bau eines Fusionsreaktors über viele Jahre, teilweise sogar Jahrzehnte. Selbst ursprünglich saubere Bauteile werden während dieser Zeit erneut kontaminiert und müssen vor der Inbetriebnahme wieder zuverlässig gereinigt werden. Gemeinsam mit unseren Projektpartnern entwickelten wir Konzepte, mit denen sich Partikeltransport, Reinigung und die Vermeidung einer erneuten Kontamination bereits während der Planung analysieren und optimieren lassen.
Mithilfe numerischer Strömungssimulationen konnten unterschiedliche Reinigungskonzepte bewertet und hinsichtlich ihrer Wirksamkeit untersucht werden. Die Wirksamkeit konnte an einem nachgebauten Wärmetauscher als Pilotprojekt erfolgreich gezeigt werden und wurde dann später an der Anlage in Cadarache zur Reinigung der verbauten Wärmetauscher eingesetzt.
Weitere, noch frühere Projekte beschäftigten sich mit der Erdbebensicherheit des Hochvoltdecks der ITER-Anlage in Cadarache. Die dort eingesetzten Komponenten müssen auch unter außergewöhnlichen dynamischen Lastfällen zuverlässig funktionieren. Mithilfe umfangreicher Strukturdynamik- und Erdbebensimulationen konnten wir das Verhalten der Konstruktionen bereits in der Entwicklungsphase detailliert untersuchen, bewerten und optimieren.
Diese Projekte haben uns eindrucksvoll gezeigt, welche Anforderungen zukünftige Fusionskraftwerke an Entwicklung, Qualitätssicherung und Simulation stellen. Viele der dort gewonnenen Erfahrungen lassen sich heute unmittelbar auf neue Aufgabenstellungen übertragen.
Warum Simulation bei der Fusion unverzichtbar ist
Die Kernfusion stellt Ingenieure vor außergewöhnliche Herausforderungen. Extreme Temperaturen, starke Magnetfelder, thermomechanische Lastwechsel sowie höchste Anforderungen an Werkstoffe und Fertigungsqualität verlangen nach einem tiefen Verständnis des Systemverhaltens.
Versuche allein reichen hierfür weder zeitlich noch wirtschaftlich aus.
Numerische Simulation ermöglicht es, Strukturmechanik, Thermik, Strömung, Partikeltransport oder gekoppelte Multiphysik bereits während der Entwicklung zu analysieren. Schwachstellen werden sichtbar, Varianten können bewertet und Entwicklungen deutlich beschleunigt werden – lange bevor das erste Bauteil gefertigt wird.
Gerade bei Zukunftstechnologien wie der Kernfusion wird der digitale Zwilling damit zu einem entscheidenden Entwicklungswerkzeug.
Fusion beginnt nicht erst im Reaktor.
Sie beginnt viele Jahre früher – am Computer, in der Simulation und in den Köpfen der Ingenieurinnen und Ingenieure, die den Mut haben, neue Wege zu gehen.
Ihr Stefan Merkle
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