Konzeptentwicklung

Am Anfang der Planungen für Wendelstein 7-X stand die Suche nach dem optimalen Magnetfeld.

Computergrafik: Magnetspulen und Plasma von Wendelstein 7-X. Die Gestalt des Plasmas wird von dem optimierten Magnetfeld bestimmt: Es besitzt eine fünfzählige Symmetrie, d.h. von oben betrachtet, ist das Plasma nicht genau kreisförmig, sondern ähnelt einem Fünfeck. Weitere Merkmale sind die Spiralform der magnetischen Achse und der wechselnde – dreieckig bis bohnenförmige – Querschnitt des Plasmas.

Grafik: MPI für Plasmaphysik

Computergrafik: Magnetspulen und Plasma von Wendelstein 7-X. Die Gestalt des Plasmas wird von dem optimierten Magnetfeld bestimmt: Es besitzt eine fünfzählige Symmetrie, d.h. von oben betrachtet, ist das Plasma nicht genau kreisförmig, sondern ähnelt einem Fünfeck. Weitere Merkmale sind die Spiralform der magnetischen Achse und der wechselnde – dreieckig bis bohnenförmige – Querschnitt des Plasmas.

Grafik: MPI für Plasmaphysik

Weil Einzelspulen den magnetischen Käfig von Wendelstein 7-X erzeugen, lässt sich das Magnetfeld im Detail formen. Mit großem Theorie- und Rechenaufwand wurde es für Wendelstein 7-X so optimiert, dass die Nachteile früherer klassischer Stellaratoren überwunden werden. Der Vorgänger Wendelstein 7-AS (1988 - 2002), die erste Anlage dieser neuen Generation der „Advanced Stellarators“, unterwarf Elemente des Konzepts einem ersten experimentellen Test. Der weiterentwickelte Nachfolger Wendelstein 7-X soll nun die Kraftwerkstauglichkeit der neuen Stellaratoren untersuchen.

Sieben aus den Kraftwerkserfordernissen abgeleitete Forderungen sollte das optimierte Magnetfeld gleichzeitig erfüllen:

Verlangt ist nicht nur – wie beim Vorgänger Wendelstein 7-AS – eine geringe Rückwirkung des Plasmadrucks auf das einschließende Magnetfeld, sondern zusätzlich
gute Qualität des Magnetfeldes und Robustheit gegenüber möglichen Feldstörungen und
die für den ökonomischen Kraftwerksbetrieb notwendige Energiedichte des Plasmas bei nicht zu hohem Magnetfeld.
Die Wärmeverluste des Plasmas sollen in der richtigen Größe liegen. In den früheren Stellaratorkonzepten wären die Wärmeverluste unakzeptabel hoch gewesen.
Der "Bootstrap"-Strom muss vernachlässigbar klein sein. Dieser Ringstrom entsteht durch den radialen Dichte- und Temperaturabfall und könnte das Magnetfeld unerwünscht verformen.
Auch schnelle Teilchen müssen gut eingeschlossen bleiben – eine besondere Schwachstelle „klassischer“ Stellaratoren. Denn in einem späteren Kraftwerk müssen die bei der Fusion entstehenden schnellen Heliumkerne das Plasma auf der Fusionstemperatur halten, wenn die äußere Heizung abgeschaltet ist.
Schließlich soll der Magnetfeldkäfig durch ein System modularer supraleitender Spulen technisch möglichst einfach und kostengünstig herzustellen sein.

Diese sieben Kriterien verlangten die Formulierung neuer komplexer Rechencodes. Voraussetzung war außerdem die Entwicklung passender Rechenmethoden, um die großen Codes mit brauchbarer Geschwindigkeit durch den Computer zu schleusen.

Insgesamt wurde die Optimierung erst durch die Supercomputer-Generation der 1980er Jahre möglich.