Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5179
Main Title: Integrated concept development of next-step helical-axis advanced stellarators
Translated Title: Integrierte Konzeptentwicklung von optimierten Stellaratoren der nächsten Generation
Author(s): Warmer, Felix
Referee(s): Stark, Holger
Breitschwerdt, Dieter
Wolf, Robert
Zohm, Hartmut
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: With the increasing energy demand of mankind and the transformation of our society towards sustainability, nuclear fusion by magnetic confinement is a promising option for the sustainable electricity supply in the future. In view of these prospects this thesis focuses on the concept development of next-step helical-axis advanced stellarator (HELIAS) burning-plasma devices. The HELIAS-line is the continued development of the prototype optimised stellarator Wendelstein 7-X which started operation in 2015. For the integrated concept development of such devices, the approach taken in this work encompasses detailed physics and engineering considerations while also including economic aspects. Starting with physics considerations, the properties of plasma transport and confinement of 3D stellarator configurations are discussed due to their critical importance for the device design. It becomes clear that current empirical confinement time scalings are not sufficient to predict the confinement in future stellarator devices. Therefore, detailed 1D transport simulations are carried out to reduce the uncertainties regarding confinement. Beyond the well-validated neoclassical approach, first attempts are made to include results from state-of-the-art turbulence simulations into the 1D transport simulations to further enhance the predictive capabilities. Next, for the systematic development of consistent design points, stellarator-specific models are developed and implemented in the well-established European systems code PROCESS. This allows a consistent description of an entire HELIAS fusion power plant including physics, engineering, and economic considerations. With the confidence obtained from a verification study, systems studies are for the first time applied for a HELIAS power-plant which shows that the available design window is constrained by the beta-limit. Furthermore, an economic comparison of an exemplary design point to an "equivalent" tokamak shows that the total construction costs are of the same order for both concepts. One main goal of this work ̶ consolidating the aforementioned aspects ̶ is the assessment of the physics and engineering dimensions of an intermediate-step burning-plasma stellarator which may be desired to mitigate development risks on the way to commercial fusion. Therefore, two boundary cases for such a device are presented. A small fast-track option using mostly today’s technology and a technologically more sophisticated DEMO-like device. There is about a factor two difference in the construction costs between those two boundary cases.
Im Hinblick auf den steigenden Energiebedarf der Menschheit und dem Wandel unserer Gesellschaft hin zu Nachhaltigkeit, erscheint die Energiegewinnung durch Kernfusion mittels magnetischen Einschluss eine vielversprechende Option für eine nachhaltige Energieversorgung in der Zukunft. Angesichts dieser Perspektiven konzentriert sich diese Arbeit auf die Konzept-Entwicklung zukunftsweisender, hochmoderner Stellaratoren mit helikaler Achse (HELIAS) und einem brennenden Plasma. Das HELIAS-Konzept ist die Weiterentwicklung des Prototyps Wendelstein 7-X, ein optimierter Stellarator, der 2015 in Betrieb gegangen ist. Zur Umsetzung einer integrierten Konzept-Entwicklung für solche Anlagen wird in dieser Arbeit auf einen Ansatz zurück gegriffen, welcher detaillierte physikalische und technische Überlegungen, aber auch ökonomische Aspekte, einschließt. Ausgehend von Physik-Überlegungen werden Eigenschaften des Plasma-Transports und des Plasma-Einschlusses in 3D Stellarator Konfigurationen diskutiert, insbesondere aufgrund ihrer weitreichenden Bedeutung für den Entwurf solcher Anlagen. Es wird deutlich, dass die aktuellen empirischen Einschlusszeit-Skalierungen nicht ausreichen, um den Einschluss in zukünftigen Stellaratoren vorherzusagen. Aus diesem Grund wurden detaillierte 1D Transport Simulationen durchgeführt um die Ungewissheiten bezüglich des Einschlusses zu reduzieren. Über den verwendeten, gut validierten neoklassischen Ansatz hinaus werden erste Versuche unternommen, Ergebnisse von hochmodernen Turbulenz Rechnungen in die 1D Transport Simulationen zu integrieren mit dem Ziel, die prädiktiven Rechnungen zu verbessern. Im nächsten Schritt wurden für die systematische Entwicklung von konsistenten Design-Studien Stellarator-spezifische Modelle entwickelt und in den etablierten europäischen System-Code PROCESS implementiert. Dies ermöglicht eine konsistente Beschreibung eines kompletten HELIAS-Fusionskraftwerks im Bezug auf Physik, Technik und Wirtschaftlichkeit. Innerhalb einer Teststudie wurden die entwickelten Modelle validiert. Somit konnten System-Studien zum ersten Mal für ein Kraftwerk des Typs HELIAS angewendet werden. Es hat sich dabei heraus gestellt, dass das Design-Fenster von den Grenzen des thermischen Beta limitiert ist. Der Vergleich eines exemplarischen Design-Punktes mit einem gleichwertigen Tokamak hat dabei ergeben, dass die gesamten Baukosten für beide Konzepte in der gleichen Größenordnung liegen. Ein Hauptziel dieser Arbeit ̶ alle vorangegangenen Aspekte zusammenführend ̶ ist die Bewertung der physikalischen und technischen Größen eines Zwischenschritt-Stellarators mit brennendem Plasma. Solch eine Anlage erweist sich als nützlich, um Entwicklungsrisiken auf dem Weg zur kommerziellen Fusion abzumildern. Zwei Grenzfälle einer solchen Anlage wurden in dieser Arbeit untersucht. Zum einen eine kleine, zeitnah verfügbare Maschine basierend auf heutiger Technologie und eine technologisch weiterentwickelte Anlage ähnlich einem Tokamak-DEMO. Der Unterschied in den Baukosten zwischen diesen Grenzfällen beträgt in etwa ein Faktor zwei.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5550
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5179
Exam Date: 13-Apr-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 13-Jun-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
Subject(s): HELIAS
magnetic confinement
high temperature plasma physics
fusion power plant
stellarator
magnetischer Einschluss
Hochtemperatur-Plasmaphysik
Fusionskraftwerk
Stellarator
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