EAST durchbricht die Plasmadichte-Grenze in Tokamak-Reaktoren

Ein chinesisches Fusionsexperiment hat ein heißes Plasma stabil gehalten, obwohl deutlich mehr Brennstoff eingebracht wurde, als Bedienmannschaften üblicherweise riskieren. Damit wurde eine seit Langem bestehende Dichtegrenze in Tokamak-Reaktoren überwunden.

Die Studie erläutert, wie sich diese Barriere durchbrechen ließ und weshalb höhere Plasmadichten die magnetische Fusion einer kontinuierlichen Energieerzeugung näherbringen könnten.

Im Inneren der Anlage

Die Veröffentlichung beschreibt eine vollständig supraleitende Fusionsanlage in China, die ein Plasma stabil hielt, während dessen Dichte über frühere Grenzwerte hinaus anstieg.

Durch die gezielte Steuerung der Einstellungen beim Start gelang es Prof. Zhu Ping von der Huazhong University of Science and Technology (HUST), die Plasmadichte zu erhöhen, ohne einen Kollaps auszulösen.

Zhus Team nutzte den Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) und erreichte das 1.3- bis 1.65-Fache des üblichen Grenzwerts.

Künftige Reaktoren könnten diese frühe Regelung übernehmen, müssen jedoch weiterhin plötzliche Disruptionen vermeiden, die Komponenten beschädigen können.

Warum die Plasmadichte wichtig ist

Wird mehr Brennstoff in das Plasma eingebracht, steigt die Plasmadichte, also die Zahl der Teilchen in einem bestimmten Volumen. Bei höherer Dichte stoßen Ionen häufiger zusammen, und jede Kollision bietet eine weitere Möglichkeit für Fusion und Energiefreisetzung.

Den Brennstoff zugleich ausreichend heiß zu halten, bleibt schwierig. Forschende wägen daher meist Dichte und Temperatur gegeneinander ab, um das Plasma stabil zu halten.

Kann eine Anlage hohe Dichten ohne Zusammenbruch aufrechterhalten, gewinnen die Heizer Zeit, sich der Fusionszündung zu nähern – einer durch Fusionsleistung verursachten Selbstheizung.

Die meisten Anlagen zur magnetischen Fusion sind Tokamaks: ringförmige Kammern, in denen Magnete das Plasma auf einer geschlossenen Bahn führen.

In vielen Tokamaks führt eine zu starke Dichteerhöhung zur Abkühlung des Randplasmas; anschließend kann das Plasma abrupt auf die Wand treffen und die Entladung beenden.

Als Warnschwelle verwenden Betreiber häufig die Greenwald-Dichtegrenze, eine Faustregel, die an den Plasmastrom gekoppelt ist.

Das Überschreiten dieser Linie zwang Ingenieurinnen und Ingenieure lange dazu, geringere Brennstoffdichten zu akzeptieren, was den Weg zur praktischen Fusionsenergie verlangsamt.

Entscheidend sind die Wände

Ein neuerer Ansatz führt die Dichtegrenze auf Plasma-Wand-Wechselwirkungen zurück, also auf Kontakte, bei denen Atome aus der Oberfläche der Kammer herausgelöst werden.

Geben die Wände solche Atome ab, kann das Plasma Energie in Form von Licht abstrahlen, wodurch es schwieriger wird, ausreichend hohe Temperaturen zu bewahren.

Französische Forschende entwickelten zur Erklärung der gegenseitigen Beeinflussung von Plasma und Innenwänden der Anlage das Konzept der Plasma-Wand-Selbstorganisation, kurz PWSO.

Nach dieser Vorstellung können frühzeitig angepasste Wandbedingungen das Plasma in einen Zustand lenken, in dem die übliche Dichtegrenze nicht mehr bestimmt, wie viel Brennstoff es aufnehmen kann.

Ein Kniff beim Start

Statt erst einzugreifen, nachdem sich das Plasma etabliert hatte, konzentrierte sich das EAST-Team auf die empfindliche Startphase.

Es setzte eine Elektronen-Zyklotron-Resonanzheizung (ECRH) ein – Mikrowellen, die Elektronen rasch erwärmen – und ließ sie während des Starts eingeschaltet.

Auch ein hoher anfänglicher Gasdruck war wichtig, da zusätzlicher neutraler Brennstoff zu Beginn den Plasma-Wand-Kontakt prägte, bevor die Temperaturen stark anstiegen.

Dieser Start mit der kombinierten Einstellung ermöglichte es der Entladung, später höhere Dichten zu erreichen, ohne nach einsetzenden Problemen Notmaßnahmen zu benötigen.

Sauberes Plasma, höhere Dichte

ECRH und die zusätzliche Gasmenge veränderten die Reaktion der Wand und verringerten die Verunreinigungen, die sich normalerweise mit steigender Dichte ansammeln.

Weniger Wandmaterial gelangte in das Plasma, sodass weniger Energie durch Strahlung verloren ging und der Plasmakern länger heiß blieb.

In der Nähe des Divertors, also des Reaktorteils zur Aufnahme überschüssiger Wärme, sanken die Temperaturen, während der Zustand hoher Dichte stabil blieb.

Der kühlere Rand verringerte die Belastung der inneren Oberflächen der Anlage, allerdings nur, solange die Bedienmannschaft das Plasma präzise regelte.

Wolfram verändert das Verhalten

EAST verwendet Oberflächen aus Wolfram, und das Plasma reagiert anders auf dieses schwere Metall, wenn es die Wand trifft.

Treffen energiereiche Teilchen auf Wolfram, können sie kleinste Mengen des Metalls in das Plasma herausschlagen und damit dessen Reinheit und Stabilität beeinflussen.

Auch der Zustand der Wände spielte eine Rolle: Dieselben Einstellungen führten mitunter zu unterschiedlichen Ergebnissen, nachdem frühere Versuche die Oberfläche verändert hatten.

Diese Empfindlichkeit deutet darauf hin, dass andere Anlagen die Wände sorgfältig und gleichbleibend vorbereiten müssen, um das Resultat zuverlässig nachbilden zu können.

Übertragung auf künftige Reaktoren

Eine höhere Dichte durch präzise Steuerung der Startphase könnte sich auf andere Reaktoren übertragen lassen, weil jeder Tokamak diesen empfindlichen Beginn durchlaufen muss.

In einem brennenden Plasma, in dem Fusionsreaktionen den Großteil der Heizung liefern, kann eine höhere Dichte die Energieausbeute steigern, ohne extreme Temperaturerhöhungen zu verlangen.

Anstatt Pellets oder andere Materialien zur Brennstoffanreicherung einzusetzen, konzentrierte sich die Methode auf die Kontrolle der Wandbedingungen und den Einsatz von ECRH beim Start.

Erreichen andere Reaktoren denselben stabilen Zustand hoher Dichte, könnten Konstrukteure der Zündung näherkommen und zugleich eine starke Plasmaeinschließung erhalten.

Plasmadichte und die Zukunft der Fusion

Tests des Konzepts im Betrieb mit hoher Einschließung auf EAST werden zeigen, ob das dichteunabhängige Verhalten auch bestehen bleibt, wenn das Plasma mehr Energie speichert.

Höhere Energie verschärft Disruptionen, weshalb das Team Gaszufuhr, ECRH-Leistung und Wandbedingungen exakt kontrollieren muss.

Ein kurzer Artikel berichtete, dass HUST-Forschende den dichteunabhängigen Ansatz auf Geräte der nächsten Generation ausweiten wollen.

„Die Ergebnisse deuten auf einen praktischen und skalierbaren Weg hin, Dichtegrenzen in Tokamaks und Fusionsanlagen der nächsten Generation mit brennendem Plasma zu erweitern“, sagte Zhu.

Indem Startphase und Wandverhalten neu gestaltet wurden, zeigen die EAST-Ergebnisse einen glaubwürdigen Weg, die Dichte zu steigern, ohne den üblichen Zusammenbruch auszulösen.

Der Nachweis der Methode unter anspruchsvolleren Betriebsbedingungen würde klarere Konstruktionsziele setzen, erfordert jedoch weiterhin sorgfältige Kontrolle und Wiederholungen.