Ein internationales Forscherteam hat eine Möglichkeit entdeckt, die Größe von Instabilitäten im Plasma von Fusionsreaktoren zu kontrollieren. Große Instabilitäten können einen Reaktor beschädigen, während kleine Instabilitäten sich als nützlich erweisen könnten, um Abfallhelium aus dem Plasma zu entfernen. Daher könnte die Entdeckung wichtige Hinweise für den Betrieb großer Fusionsreaktoren liefern.
Die Fusion von Wasserstoffkernen in einem magnetisch eingeschlossenen Plasma könnte riesige Mengen an umweltfreundlicher Energie liefern. Die Kontrolle des superheißen Plasmas bleibt jedoch eine große Herausforderung.
In den Donut-förmigen Tokamak-Reaktoren, die derzeit am häufigsten in Fusionsexperimenten verwendet werden, wird das Plasma durch starke Magnetfelder eingeschlossen. Dadurch entstehen steile Druckgradienten zwischen dem Plasmarand und den Reaktorwänden. Ein zu großer Druckgradient am Rand kann zu Instabilitäten führen, die als Edge Localized Modes (ELMs) bezeichnet werden. Diese geben Teilchen- und Energiestöße ab, die schwere Schäden an den Reaktorwänden verursachen können.
Diese neueste Studie wurde von geleitet Georg Harrer an der Technischen Universität Wien. Um die Bedingungen zu untersuchen, unter denen ELM entstehen, führte das Team Experimente am Tokamak ASDEX Upgrade am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Deutschland durch.
Steigerung der Plasmadichte
Sie fanden heraus, dass große ELMs vermieden werden können, indem die Plasmadichte erhöht wird, was zu kleineren ELMs führt, die häufiger auftreten. Kleine ELMs könnten nicht nur weniger Schaden verursachen, sondern auch dazu beitragen, überschüssiges Helium aus dem Plasma zu entfernen.
Das Rekordergebnis von JET und die Suche nach Fusionsenergie
Das Team fand auch heraus, dass bei hohen Plasmadichten das Entstehen von ELMs kontrolliert werden kann, indem die Topologie der Magnetfeldlinien angepasst wird, die das Plasma begrenzen. In einem Tokamak winden sich diese Feldlinien spiralförmig um das Plasma, das heißt, die von ihnen übertragenen Kräfte ändern ihre Richtung relativ zu den Druckgradienten. In einigen Regionen des Plasmas wirken die Kräfte der Instabilität entgegen, während die Kräfte in anderen Regionen die Instabilität fördern. Dieser Kompromiss kann durch eine Instabilitätsschwelle gekennzeichnet werden, die den minimalen Druckgradienten definiert, der zum Erzeugen von ELMs erforderlich ist.
Harrer und Kollegen fanden heraus, dass eine Erhöhung der spiralförmigen Windung des Magnetfelds die Instabilitätsschwelle erhöht – und daher die ELM-Produktion reduziert. Außerdem führte eine Erhöhung der magnetischen Scherung am Rand des Plasmas zu einer größeren Instabilitätsschwelle. Die magnetische Scherung ist der Winkel zwischen zwei sich kreuzenden Magnetfeldlinien.
Die Verwendung eines Plasmas mit einem großen Druckgradienten erhöht den Fusionsenergiegewinn eines Fusionsreaktors, wobei der Kompromiss ein zunehmendes Risiko von ELM-Schäden ist. Kleine ELMs könnten sich jedoch als nützlich erweisen, um Abfallhelium auszustoßen. Folglich müssen diese Phänomene fein ausbalanciert werden, um den Betrieb zukünftiger Fusionsreaktoren zu optimieren. Diese neueste Forschung liefert wichtige Erkenntnisse darüber, wie dies bewerkstelligt werden könnte.
Das Team berichtet über seine Ergebnisse in Physical Review Letters.
