EAST überschreitet die Greenwald-Grenze im dichtefreien Betriebsbereich

Experimente in einem chinesischen Fusionsreaktor haben einen neuen Ansatz aufgezeigt, um eine der Begrenzungen für die Dichte des darin wirbelnden, extrem erhitzten Plasmas zu umgehen.

Am Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) gelang es Physikern, die sogenannte Greenwald-Grenze zu überschreiten. Dabei handelt es sich um eine praktische Dichteschwelle, oberhalb derer Plasmen meist heftig instabil werden und häufig Bauteile des Reaktors beschädigen.

Lange Zeit galt die Greenwald-Grenze als unverrückbare Vorgabe und floss entsprechend in die Konstruktion von Fusionsreaktoren ein. Die aktuelle Arbeit belegt nun, dass sich Plasma über diese Schwelle hinaus in einen von Physikern als „dichtefrei“ bezeichneten Betriebsbereich bringen lässt, wenn seine Entstehung und die Wechselwirkung mit den Reaktorwänden präzise gesteuert werden.

Warum die Plasmadichte in Fusionsreaktoren entscheidend ist

Fusionsreaktoren sollen die intensive Kernfusion im Inneren der Sonne nachbilden und dadurch gewaltige Energiemengen erzeugen. Auf dem Weg dorthin müssen jedoch mehrere große Hürden überwunden werden – darunter die Dichte des Plasmas.

Die Überlegung dahinter: Je mehr Atome sich im Plasma befinden, desto häufiger wechselwirken sie miteinander und desto mehr Fusionsreaktionen können ablaufen. Das erhöht wiederum die Energieausbeute. Bei den extrem hohen Plasmatemperaturen in Tokamaks – ringförmigen, magnetisch ausgekleideten „Rennstrecken“, in denen das Plasma eingeschlossen und geführt wird – wächst die Energieausbeute üblicherweise mit der Plasmadichte.

Die Greenwald-Grenze und der Verlust des Plasmaeinschlusses

Genau hier setzt die Greenwald-Grenze der Sache Grenzen. Sie ist streng genommen kein fundamentales Naturgesetz, sondern ein beobachteter Effekt, der sich mathematisch beschreiben lässt. Damit kann vorhergesagt werden, wie stark die Plasmadichte in einem Tokamak steigen kann, bevor das Plasma voraussichtlich instabil wird und abrupt zusammenbricht.

Mit zunehmender Dichte strahlt das Plasma nämlich mehr Energie ab. Dadurch kühlt es an seinem Rand schneller aus, insbesondere wenn Atome von der Reaktorwand in das Plasma gelangen. Energiereiche Plasmateilchen schlagen Atome aus der Wand heraus; diese Verunreinigungen erhöhen im Plasma die Energieabstrahlung. Das kühlt das Plasma weiter ab und begünstigt die Freisetzung zusätzlicher Verunreinigungen – ein Rückkopplungskreislauf entsteht.

Die daraus folgende Abkühlung kann den magnetischen Einschluss schwächen, der das Plasma im Reaktor hält. Das Plasma kann dann entweichen und sich rasch abschalten. Deshalb werden magnetisch eingeschlossene Fusionsreaktoren normalerweise unterhalb der Greenwald-Grenze betrieben – abgesehen von Versuchen, die diese Grenze gezielt untersuchen.

Kürzlich deutete allerdings eine theoretische Studie darauf hin, dass eine Selbstorganisation der Plasma-Wand-Wechselwirkungen Tokamaks von der üblichen Greenwald-Dichtebeschränkung befreien könnte. Stattdessen könnten sie in einem eigenständigen, von den Autoren als „dichtefrei“ beschriebenen Bereich arbeiten.

EAST erreicht einen dichtefreien Betriebsbereich

Ein Team unter Leitung der Physiker Ping Zhu von der Huazhong University of Science and Technology und Ning Yan von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelte einen Versuch, um diese Theorie weiterzuverfolgen. Ausgangspunkt war die einfache Annahme, dass die Dichtegrenze stark von den anfänglichen Wechselwirkungen zwischen Plasma und Wand beim Hochfahren des Reaktors abhängt.

Die Forschenden wollten prüfen, ob sich das Ergebnis dieser Wechselwirkung gezielt lenken lässt. Dazu regulierten sie während des Starts des Tokamaks sorgfältig den Druck des Brenngases und fügten einen Heizimpuls mittels Elektronenzyklotronresonanzheizung hinzu.

Diese Anpassungen veränderten die Wechselwirkung des Plasmas mit den Tokamak-Wänden über einen kühleren Plasmarand. Dadurch sank der Eintrag von Wandverunreinigungen in das Plasma drastisch.

Unter diesen Bedingungen erreichte das Team Dichten, die rund 65 Prozent über der Greenwald-Grenze des Tokamaks lagen.

Das bedeutet nicht, dass magnetisch eingeschlossene Plasmen künftig völlig ohne Dichtebegrenzung arbeiten können. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Greenwald-Grenze keine grundlegende Schranke darstellt und dass angepasste Betriebsabläufe zu leistungsfähigeren Fusionsreaktoren führen könnten.

Das Team will seine Erkenntnisse weiter erproben, um zu untersuchen, wie EAST unter Hochleistungsbedingungen in dem neu beschriebenen dichtefreien Bereich arbeitet.

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

Die Ergebnisse wurden in Science Advances veröffentlicht.