Kernfusion: US-Forschende koppeln zwei Verfahren für stabileres Plasma
Tokamaks und Stellaratoren gelten als die vielversprechendsten Reaktortypen auf dem Weg zur Fusionsenergie. Forschende in Princeton haben nun Technologien aus beiden Reaktortypen kombiniert und erhoffen sich davon einige Vorteile.
Forschende des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), das zum US-Energieministeriums gehört, haben eine Methode entwickelt, die die Kontrolle des Fusionsplasma bei der Kernfusion verbessern soll. Zum ersten Mal wurden dafür die Methoden des Elektron-Zyklotron-Stroms (ECCD) und der resonanten magnetischen Störung (RMP) in einer Simulation kombiniert. Das Forschungsteam erhofft sich davon eine bessere und flexiblere Kontrolle des Fusionsplasmas. Qiming Hu, Erstautor der Studie, die in der renommierten Fachzeitschrift Nuclear Fusion veröffentlicht wurde, erklärt: „Dies ist eine relativ neue Idee, die unsere Möglichkeiten zur Kontrolle des Plasmas erheblich erweitert“.
Kraft der Sterne nutzen
Die Kernfusion, die oft als Hoffnungsträger für eine saubere Energiegewinnung gepriesen wird, nutzt die Verschmelzung der Wasserstoffisotope Deuterium (D) und Tritium (T) – ein Prozess, der dem im Inneren eines Sterns ähnelt. Diese Fusion findet bei extremen Temperaturen von 150 Millionen Grad statt. Wegen der hohen Temperaturen, denen kein Material standhalten kann, muss das Plasma aus den Wasserstoffisotopen mit Hilfe von Magneten in der Schwebe gehalten werden. Dies erfordert den Einsatz besonders starker Magnete.
Ein Stellarator, der für seinen komplexen Aufbau bekannt ist, verwendet präzise geformte Elektromagnete, die nur geringe Fehlertoleranzen zulassen und daher kostenintensiv sind. Ein wesentlicher Vorteil des Stellarators gegenüber dem Tokamak ist, dass er einfacher zu bedienen ist, da kein elektrischer Strom durch das leitende Plasma fließen muss. Außerdem kann der Stellarator kontinuierlich betrieben werden, während ein Tokamak in gepulsten Intervallen arbeitet.
Was erhofft sich das Forschungsteam von der Kopplung?
Wie bereits geschrieben, ist das Forschungsteam von Princeton einen ganz neuen Weg gegangen. Zum ersten Mal wurden die Methoden des Elektron-Zyklotron-Stroms (ECCD) und der resonanten magnetischen Störung (RMP) miteinander kombiniert.
Das Forschungsteam erhofft sich davon eine bessere und flexiblere Kontrolle des Fusionsplasmas. Qiming Hu, Erstautor der Studie, die in der renommierten Fachzeitschrift Nuclear Fusion veröffentlicht wurde, erklärt: „Dies ist eine relativ neue Idee, die unsere Möglichkeiten zur Kontrolle des Plasmas erheblich erweitert“.
Herausforderungen bei der Plasmakontrolle
Ziel der Forschung ist es, irgendwann Strom aus Kernfusion zu erzeugen. Eine zentrale Herausforderung hierbei ist laut Forschungsteam die Minimierung von sogenannten Edge-Localized Modes (ELMs), plötzlichen Teilchenausbrüchen aus dem Plasma, die die Reaktorwände beschädigen und gefährlich sein können.
Alessandro Bortolon, ein führender Forschungsphysiker am PPPL, betont die Bedeutung der neuen Methode: „Der beste Weg, die ELMs zu vermeiden, ist durch die Anwendung resonanter magnetischer Störungen.“ ECCD wird hingegen in Fusionsexperimenten mit magnetischem Einschluss verwendet, um den Plasmastrom zu kontrollieren und aufrechtzuerhalten
So funktioniert das im Detail
Wie gerade geschrieben, setzen die Forscher RMPs ein, um gezielt kleine, kontrollierbare Störungen im Plasma zu erzeugen, während das ECCD dazu genutzt wird, den Plasmastrom zu kontrollieren. Schauen wir uns die Vorgänge im Detail an:
Die Magnetfelder des Tokamaks umschließen das torusförmige Plasma wie ein Seil. Zusätzlich erzeugen die RMPs Magnetfelder, die sich miteinander verweben. Dadurch bilden sich ovale Strukturen, so genannte magnetische Inseln. Normalerweise sind solche Inseln im Plasma unerwünscht, weil sie das Plasma zerreißen können, wenn sie zu groß werden. Unter kontrollierten Bedingungen haben sie jedoch Vorteile.
Das linke Bild zeigt den Tokamak und die von den 3D-Spulen erzeugte magnetische 3D-Störung, wobei die violett-blauen Farbtöne Störungen mit niedriger Amplitude und die roten Farbtöne Störungen mit höherer Amplitude darstellen. Das rechte Bild zeigt die obere Hälfte des Tokamaks und das Plasma in Nahaufnahme. Die Spulen dienen zur Erzeugung der Magnetfeldstörungen, die die Inseln erzeugen (blau). Eine weitere Spule befindet sich im unteren Teil der Maschine. Oben ist das Injektionssystem für die ECCD-Mikrowellen zu sehen (rot). Mit ihnen wird die Breite der Inseln eingestellt.
Foto: Qiming Hu / PPPL
Die Erzeugung ausreichend großer magnetischer Inseln durch resonante magnetische Störungen stellt eine Herausforderung dar. Hier spielt der ECCD eine entscheidende Rolle. Er sendet Mikrowellenstrahlen aus, die den für die RMPs benötigten Strom reduzieren. Dadurch wird der Prozess kontrollierbarer und die Inselgröße kann für die Stabilität des Plasmas optimal eingestellt werden.
Wird der ECCD in Stromrichtung eingesetzt, verringert sich die Inselbreite, während sich der Bodendruck erhöht. „Der Einsatz des ECCD in entgegengesetzter Richtung hatte den gegenteiligen Effekt“, erklärt Hu.
Mögliche Auswirkungen auf die nachhaltige Energieerzeugung
Lassen wir abschließend noch einmal den Erstautor der Studie zu Wort kommen: „Die Leute denken, dass die Anwendung von lokalisiertem ECCD am Plasmarand riskant ist, weil die Mikrowellen die Komponenten im Gefäß beschädigen können“, sagte Hu. „Wir haben gezeigt, dass es machbar ist, und wir haben die Flexibilität des Ansatzes demonstriert. Dies könnte neue Wege für die Entwicklung zukünftiger Geräte eröffnen“, schloss er.
Die Studie wurde in der Wissenschaftszeitschrift „Nuclear Fusion“ veröffentlicht
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