Kernfusionsenergie ist ein aktives Forschungsfeld der modernen Energieforschung. Ein Ansatz zur Realisierung kontrollierter Kernfusion ist der magnetische Einschluss, bei dem starke Magnetfelder eingesetzt werden, um ein Plasma unter den für Fusionsreaktionen erforderlichen hohen Temperaturen und Drücken zu halten. Stellaratoren sind eine Klasse dieser Reaktoren, bei denen supraleitende Spulen ein stationäres Magnetfeld erzeugen, das einen kontinuierlichen Dauerbetrieb des Plasmas ermöglicht. Diese Spulen müssen komplexe, nicht-planare Geometrien annehmen, um die erforderlichen Feldkonfigurationen zu realisieren, und sind im Betrieb erheblichen Lorentzkräften ausgesetzt. Die Beurteilung ihrer strukturellen Integrität ist daher eine kritische und wiederkehrende Aufgabe im gesamten Reaktor- und Spulenentwicklungsprozess.
Diese Beurteilung stützt sich derzeit auf Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM), die mit hohem Rechenaufwand verbunden sind. Wenn diese Simulationen in iterative Entwurfs- und Optimierungsworkflows eingebettet werden, führt der hohe Rechenaufwand zu einer zeit- und ressourcenintensiven systematischen Erkundung des Spulendesigns.
Im Rahmen dieses Projekts wird ein Surrogatmodell zur Vorhersage von Spannungsverteilungen und mechanischen Verformungen in Stellarator-Spulensystemen entwickelt. Das Modell kombiniert verschiedene Techniken des maschinellen und mehrschichtigen Lernens, die so gewählt wurden, dass sie die komplexen Netzstrukturen zur Darstellung der Spulengeometrien berücksichtigen und mit den zugrunde liegenden Gleichungen der Strukturmechanik konsistent bleiben. Das resultierende Framework soll über verschiedene Spulengeometrien hinweg generalisieren und dabei die physikalischen Randbedingungen einhalten.
Das Surrogatmodell wird anhand hochgenauer FEM-Referenzdaten zunehmender Komplexität trainiert und validiert, bis hin zu vollständigen Geometrien des Wendelstein 7-X Stellarators. Diese Arbeit wird in enger Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald (https://www.ipp.mpg.de) durchgeführt, das den W7-X-Betrieb verantwortet und Forschung zum Plasmaeinschluss sowie zu den wissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Grundlagen von Fusionsreaktoren betreibt.
Das langfristige Ziel des Projekts ist die Integration des validierten Surrogatmodells in eine Optimierungspipeline, wodurch Berechnungszeiten von Stunden auf Millisekunden reduziert und Reaktordesignstudien auch für Nicht-Spezialisten zugänglich gemacht werden sollen.
