EAST verschiebt die Dichtegrenzen der Kernfusion

Eine höhere Brennstoffdichte in Kernfusionsreaktoren versprach stets mehr Leistung. Doch genau dieser Druck kann den Brennstoff plötzlich in einen instabilen Zustand bringen und zum Kollaps führen.

Eine neue Erkenntnis zeigt nun, dass dieser seit Langem gefürchtete Kipppunkt nicht unverrückbar ist. Damit eröffnet sich ein engerer Weg, die Kernfusion auch ausserhalb des Labors nutzbar zu machen.

Versuche am chinesischen Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) ergaben, dass Plasma bei Dichten stabil bleiben kann, die bislang als unmöglich galten – sofern die Bedingungen nahe den Reaktorwänden gezielt geregelt werden.

Dichtegrenzen in Fusionsplasmen

Je dichter eine Wolke aus Fusionsbrennstoff gepackt wird, desto schwieriger lässt sie sich stabil halten: Winzige Schwankungen können sich zu Störungen ausweiten.

Die neue Studie berichtete über stabile Entladungen, obwohl die Dichte eine lange als verlässlich geltende Obergrenze überschritt – einen Wert, bei dem ein Versuch häufig rasch endet.

Arbeiten an der Universität für Wissenschaft und Technologie Huazhong (HUST) trugen dazu bei, den im Experiment eingesetzten Plan für hohe Plasmadichten zu entwickeln.

Professor Ping Zhu forscht im Bereich Kernfusion daran, dichten Brennstoff stabil zu halten, während Reaktoren auf höhere Leistung ausgerichtet werden.

Ein Tokamak für präzise Steuerung

Im Experimental Advanced Superconducting Tokamak ermöglichen supraleitende Magnete, die elektrischen Strom mit sehr geringem Widerstand führen, starke Magnetfelder über längere Versuchszeiten aufrechtzuerhalten.

Diese zusätzliche Zeit verschaffte dem Team Spielraum, Brennstoffzufuhr und Heizung bereits in den frühesten Phasen jeder Entladung anzupassen.

Obwohl EAST ein kleinerer Reaktor ist, lassen sich die Erkenntnisse übertragen, wenn sie auf steuerbaren Wandbedingungen statt auf schierer Grösse beruhen.

Die Greenwald-Grenze bei der Kernfusion

Seit Jahrzehnten nutzten Ingenieure die Greenwald-Grenze als Faustregel für die maximale Elektronendichte, um abrupte Abschaltungen zu vermeiden.

Wird heisser Brennstoff zu Plasma, kann eine zu hohe Dichte schnelle Instabilitäten auslösen. Auf EAST erreichte das Team das 1,3- bis 1,65-Fache dieser Grenze, doch die Entladung blieb stabil.

Das Ergebnis deutete darauf hin, dass diese Obergrenze das Verhalten der Wände widerspiegelt und keine unvermeidliche Eigenschaft des Plasmas ist.

Die Bedeutung der Reaktorwände

Die Forschenden bezeichneten die Selbstorganisation von Plasma und Wand – ein Rückkopplungsmuster zwischen Brennstoff und Wandzustand – als entscheidend für das Erreichen höherer Dichten.

Nach diesem Verständnis lösen Zusammenstösse Metallatome aus den Reaktorwänden, die direkt in den heissen Brennstoff gelangen können.

Diese Atome können Energie aus dem Plasma abstrahlen, den Kern abkühlen und damit Instabilitäten begünstigen.

Da sich das Verhalten der Wände von Entladung zu Entladung verändert, wird die Kontrolle dieser Grenzfläche ebenso wichtig wie die Magneten.

Ein sauberer Start veränderte alles

Das Team konzentrierte sich auf die Startphase, in der sich eine neue Entladung bildet und der Kontakt mit den Wänden die weiteren Bedingungen prägt.

Es erhöhte die Temperatur frühzeitig mit Mikrowellen. Dadurch wurden weniger Wandatome in den Brennstoff herausgelöst.

Zudem stellte es den anfänglichen Gasdruck sorgfältig ein, sodass der Plasmarand kühler blieb und Metalloberflächen weniger stark beschädigte.

Diese Kombination verringerte die frühen Energieverluste und hielt den Versuch stabil, als die Dichte später während der Entladung anstieg.

Ein stabiler Anstieg der Dichte

Bis zum Ende der Startphase nahm die Dichte kontinuierlich zu, bis EAST ein dichteunabhängiges Regime erreichte – einen Zustand, in dem die frühere Obergrenze nicht mehr gilt.

Stabile Wandbedingungen hielten die Strahlungsverluste niedrig. Dadurch konnten Plasmastrom und Wärme ohne die übliche unkontrollierte Abkühlung zunehmen.

Im Bericht führten HUST-Forschende die Stabilität auf Entscheidungen während der Startphase zurück, welche Wandkontakt und Brennstofffluss ausbalancierten.

Dieses Regime hob nicht sämtliche Grenzen auf, zeigte jedoch, dass die Dichte weiter steigen kann, wenn der Randbereich kontrolliert bleibt.

Warum höhere Dichte die Fusionsleistung steigert

Die Fusionsleistung wächst mit dem Quadrat der Dichte, weil im Kern mehr Teilchen zusammenstossen und schubweise Energie freisetzen.

Offizielle ITER-Hinweise des Internationalen Thermonuklearen Experimentalreaktors verorten Deuterium-Tritium-Brennstoff bei rund 13 keV, also etwa 150 Millionen Kelvin.

Eine Stellungnahme verband diese Physik mit der neuen Methode, deren Ziel es war, die Dichtegrenzen von Tokamaks auszuweiten.

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

Intelligentere Wege zur Fusionsenergie

Eine höhere Dichte erfordert normalerweise stärkere Magnetfelder, was Kosten und Komplexität jedes Projekts erhöht.

Indem der EAST-Ansatz stattdessen das Verhalten der Wände verbesserte, steigerte er die Dichte, ohne dass Ingenieure die Feldstärke mit roher Gewalt erhöhen mussten.

Das ist für Reaktoren wie ITER relevant, weil ein Konzept weniger Magnetaufrüstungen gegen bessere Steuerungssysteme und Materialien eintauschen kann.

Dennoch liefert eine hohe Dichte allein keine Nettoenergie, wenn Temperatur und Einschluss nicht lange genug hoch bleiben.

Chinas nächster Schritt bei der Kernfusion

Ein Forschungsplan beschrieb den Experimental Superconducting Tokamak für brennendes Plasma als nächsten Schritt für China.

Das Dokument sieht einen Abschluss der Bauarbeiten im Jahr 2027 vor und strebt an, vor dem 31. Dezember 2030 mindestens ebenso viel Fusionsleistung wie Heizleistung zu erzeugen.

Eine stabilere hohe Dichte könnte dabei helfen, denn eine höhere Dichte verstärkt die Fusionsheizung, die wiederum Bedingungen für ein brennendes Plasma aufrechterhalten kann.

BEST muss weiterhin intensive Neutronenschäden und Tritiumsysteme bewältigen. Das Ergebnis zur Dichte löst daher nur einen Teil des Problems.

Dichtegrenzen neu bewerten

Die Arbeit zeigte, dass sich Dichtegrenzen verschieben lassen, wenn Ingenieure Reaktorwand und Startphase steuern, anstatt allein die Magnetfelder zu verstärken.

Künftige Tests müssen bestätigen, dass dieselbe Kontrolle auch bei leistungsstärkerem Betrieb funktioniert – insbesondere auf Anlagen wie BEST und ITER, die lange, selbsterhitzte Brennphasen anstreben.