So befeuern kompetitive Online-Shooter Forschung und Entwicklung von Kernfusionsreaktoren

Der Weg zu einem erfolgreichen Fusionsreaktor beginnt im Computer – und dort sind Simulationen unverzichtbar für die perfekte Feinjustierung. Hierbei kann Programmcode aus Shootern wie Battlefield 1 helfen. (Bildquelle: Adobe Firefly, generative KI und Electronic Arts)

In gezündeten Fusionsreaktoren tummeln sich Milliarden von Teilchen. Geordnet erzeugen sie das ultimative Feuer des Universums: Kernfusion.

Doch schon Jahre vor dem ersten Plasmafeuer sorgt dieses Chaos für Kopfzerbrechen. Schon am virtuellen Reizbrett zu verstehen, was nach Drücken des Start-Knopfes im Innersten der Anlage geschieht, ist deshalb unabdinglich.

Auftritt: Computer-Simulationen, ihr Ziel: eines Tages die Urkraft des Herzens der Sonne auf Erden zu bändigen.

Dank eines neuartigen Programmes sind wir dem Durchbruch einen Schritt nähergekommen. Fans von Shootern kennen die Zeilen an Code dahinter nur zu gut. Der Algorithmus ermittelt seit Jahrzehnten, ob ihr eure Gegner in Videospielen trefft oder nicht.

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Simulationen, um es der Sonne gleichzutun

Ein Team südkoreanischer Forschender entwickelte eine neue Software, die 15-mal schneller als zuvor ermöglicht, die Flugbahnen und somit auch Kollisionspunkte von Teilchen in Reaktorkammern am PC zu ermitteln.

Mit den Simulationen soll ein Kernproblem von Fusionsreaktoren angegangen werden: Kollisionen von Materie mit den Wänden der Reaktionskammer müssen zwingend vermieden werden. Das stört nicht nur die Fusion, sondern kann auch den Reaktor beschädigen.

Grundlagen und Arten der Kernfusion

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Die drei wichtigsten Ansätze für Kernfusionskraftwerke sind:

Wir kennen drei große Zweige, auf denen parallel Kernfusionsforschung läuft:

• Tokamak
• Stellarator
• Trägheitsfusion
• Hinzu kommen Nebenpfade, wie Reaktoren, die Umgekehrte Feld-Einstellung nutzen.

Abseits ihrer Unterschiede haben sie alle eines gemeinsam: Mit der erzeugten Energie erhitzen sie Wasser. Der entstehende Dampf treibt eine Turbine an, die elektrischen Strom erzeugt.
In den letzten Schritten des Prozesses unterscheiden sich Fusionskraftwerke nicht von Kohle-, Gas- oder Atomkraftwerken. Nur erzeugen sie die Wärmeenergie nicht aus der Verbrennung chemisch gebundener fossiler Energie (Kohle und Gas) oder aus der Spaltung von sehr schweren Kernen (Atomkraftwerke).

Stattdessen verschmelzen bei der Kernfusion zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren. Meistens die zweier Wasserstoffatome, woraus Helium entsteht. Dabei wird vorrangig Energie in Form von Neutronen freigesetzt. Dieser Prozess geschieht in einem sogenannten Plasma.

Plasma ist der vierte Aggregatzustand von Materie (neben fest, flüssig und gasförmig). Es entsteht, wenn Gas stark aufgeheizt wird. Sobald die Kernfusion läuft, hält sie das Plasma selbst auf Temperatur. Zum Anlaufen wird jedoch von außen Strom zugeführt. Die Erhitzung kann durch verschiedene Prozesse erfolgen, zum Beispiel durch Mikrowellenstrahlung. Das Plasma schwebt magnetisch gehalten in einem Vakuumbehälter – also frei von anderen Gasen.

Tokamak: Sie stellen den ältesten und bis heute am besten erforschten Ansatz für Kernfusionsreaktoren dar. Ringförmig angeordnete Magnete umschließen eine Reaktionskammer, in der Mitte des Rings steht eine Art Transformator, in Form des sogenannten Solenoids. Er schickt einen starken elektrischen Impuls durch das Plasma, der hilft, es in der richtigen Form zu halten und es auch mit aufheizt. Nur so kann die extrem heiße Masse in einem Zustand gehalten werden, der die Fusion von Wasserstoffatomen ermöglicht.

Der ITER-Tokamak. Das Plasma umströmt in dem donut(torus)förmigen Ring den durch Schutzwände im Zentrum abgeschirmten Transformator. Bildquelle: US ITER

Das Problem: Der Transformator muss regelmäßig abgeschaltet werden. Tokamaks sind deshalb für einen Dauerbetrieb ungeeignet – sie werden selbst im industriellen Betrieb noch definierte Pausen benötigen.

Stellarator: Anstatt in einer regulären Kammer fließt das Plasma durch einen engen, ebenfalls annähernd ringförmigen Tunnel, der zusätzlich verdreht ist. In ihm windet sich das Plasma quasi rasend schnell. Hierfür ist nur ein einzelnes Magnetfeld nötig, das durch ringförmige Magnete erzeugt wird.
Im Gegensatz zum Tokamak fließt kein Strom durch das Plasma selbst, da die komplexe Anordnung der äußeren Magnete die Aufgabe alleine erfüllen kann. Ein Stellarator kann im Gegensatz zum Tokamak ununterbrochen laufen und so durchgehend Strom erzeugen.
Allerdings: Die dreidimensionale, asymmetrische Anordnung erwies sich als ein mathematisch-physikalisches Monstrum. Erst Supercomputer waren in der Lage, die nötigen Berechnungen durchzuführen. Daher konnte der theoretische Entwurf von Stellarator-Reaktoren erst spät im 20. Jahrhundert erfolgen. So sind sie in ihrer Entwicklung etwas hinter den Tokamaks zurück – sind aber nach Meinung vieler Experten der geeignetere Kandidat für Kraftwerke.

Trägheitsfusion: Hierbei werden Geschosse oder starke Laser auf einen winzigen Punkt abgefeuert. An diesem befindet sich im Inneren einer Reaktionskammer eine winzige Menge Treibstoff (Wasserstoff) in Form eines Pellets. Die Energie der Laser oder Geschosse trifft innerhalb von Mikrosekunden auf das Pellet und drückt es extrem stark zusammen.
Durch diese enorme Verdichtung und Hitze wird eine Kernfusion ausgelöst. Um jedoch über längere Zeiträume Energie zu gewinnen, muss dieser Vorgang immer wieder und sehr schnell hintereinander ablaufen. Im Prinzip sammeln wir hier quasi die Energie von explodierenden Miniatur-Wasserstoffbomben ein.

Wichtige Meilensteine wurden zuletzt auch bei Tokamaks sowie im Feld der Trägheitsfusion erreicht, zudem gibt es über Fortschritte bei einem neuen Typ von Reaktor zu berichten:

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Um eine Fusion zu zünden, müssen die Ingenieure aber extrem viele Teilchen mit hoher Geschwindigkeit ins Innere feuern. Denn zur Erhitzung des Plasmas in den donutförmigen Kammern kommen hochenergetische Strahlen aus Neutronen zum Einsatz.

Sie heizen die Mischung buchstäblich auf, damit es zur Fusion kommen kann. Beim Entwurf eines Reaktors muss deshalb frühzeitig – und bei jeder Änderung der Technik – simuliert werden, ob Teilchen auf Irrwegen vom Ziel abkommen.

Es geht einfacher – vergessen wir mal die meisten Partikel

Normalerweise setzt die Forschung in solchen Fällen auf Simulationen aller Partikel über ihren ganzen Weg hinweg.

300.000 einzelne Objekte, die auf Kontakt mit Wänden aus mehr als 70.000 Dreiecken untersucht werden, kurzum: eine rechenaufwendige, energieintensive und vor allem langwierige Aufgabe.

Der neue Code kombiniert verschiedene in der Gaming-Industrie designte Verfahren. Sie werden in Shootern dazu verwendet, effizient und vor allem innerhalb kürzester Zeitspannen festzustellen, ob abgefeuerte virtuelle Kugeln ihr Ziel oder ein Objekt in der Umgebung treffen.

Der Trick:

• Es werden möglichst frühzeitig Partikel und Räume ausgeschlossen, die so oder so bei Abweichungen nicht infrage kommen. Von da an ignoriert die Software den weiteren Weg.
• So fallen laut den Wissenschaftlern 99,9 Prozent aller Berechnungen von vornherein weg und das Verfahren beschleunige sich um den Faktor 15 (via unist).
• Aufgrund der ursprünglichen Verwendung in 3D-Spielen eignet sich die neue Softwareumgebung auch exzellent, um im Inneren der virtuellen Fusionsreaktoren korrekte Ergebnisse zu ermitteln - selbst wenn diese gewunden daherkommen, wie im Falle von Stellaratoren (siehe Aufklapp-Box).

Als nächste Schritte, um die Geschwindigkeit weiter zu erhöhen, möchte das Team ihren Programmcode weiterentwickeln, damit er auch auf den Rechenkernen moderner Grafikkarten ausführbar wird.

Diese eignen sich von Haus aus besser, um Simulationen von physikalischen Prozessen in dreidimensionalen Räumen vorzunehmen. Aktuell läuft die Technik auf klassischen CPUs.

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Entwickelt und getestet wurde die Software an der 3D-Computersimulation des Korean Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR). Der sogenannte virtuelle KSTAR ist ein digitaler Zwilling.

Soll heißen: Für jedes real existierende Bauteil existiert in der Softwareumgebung ein exakt identisches Gegenstück.

Solche frei dreh- und zoombaren Umgebungen gelten als der Goldstandard zur Entwicklung und Baubegleitung von Anlagen, Schiffen oder Flugzeugen. Denn so können Ingenieure den genauest-möglichen Eindruck am Bildschirm gewinnen - und Vorgänge aller Art simulieren.

Fazit der Redaktion

Gerald Weßel: Um wirklich in den kommenden Jahrzehnten Strom durch Kernfusion aus der Steckdose zu ziehen, müssen viele Dinge zusammenkommen.

So fasst Astrophysiker Josef M. Gaßner zuletzt einige der gängigsten Mythen zusammen und kommt eher zu einem pessimistischen Fazit. Zu Recht, aus meiner Sicht.

Die Herausforderungen, die uns von einem echten Kraftwerk am Netz trennen, sind gewaltig. Andere sind da aber gelinde optimistischer: In München arbeiten Ingenieure an einem Stellarator, der in den 2030ern ans Netz gehen soll.

Wir haben hier ein gewaltiges Puzzle vor uns: Weltweit wird an Hunderten verschiedenen Bruchstücken geforscht. Die neuen Algorithmen stehen für eines.

Nur dank vieler solcher kleinen Schritte hin zur Zukunft der Energieversorgung dürfen wir hoffen: Vielleicht schaffen wir es ja doch früher als mancher Skeptiker - wie ich - unkt, die Kraft des Herzens der Sonne für uns zu nutzen.