EAST überwindet die lange gefürchtete Fusionsdichtegrenze

Forschende in China haben gezeigt, dass Fusionsbrennstoff bei Dichten stabil bleiben kann, die in magnetischen Reaktoren lange als Auslöser eines Versagens galten.

Das Ergebnis verwandelt eine seit Langem bekannte physikalische Begrenzung in einen steuerbaren Zustand und rückt einen dauerhaften Fusionsbetrieb mit höherer Leistung näher.

Wo die Fusionsgrenze überwunden wurde

Der Durchbruch gelang im vollständig supraleitenden Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) in China, in dem dichter Fusionsbrennstoff weiter betrieben werden konnte, ohne zusammenzubrechen.

Durch die direkte Beobachtung dieses Verhaltens dokumentierte Professor Ping Zhu von der Huazhong University of Science and Technology (HUST) stabile Plasmazustände jenseits der Dichteobergrenze, die Tokamaks über Jahrzehnte eingeschränkt hatte.

Die Untersuchung ergab, dass die Dichte allein keine Instabilität erzwingt, solange die Wechselwirkungen zwischen Plasma und Reaktorwand in einem engen, kontrollierten Bereich bleiben.

Diese Grenze bildet die Grundlage dafür, zu verstehen, warum Fusionsdichtegrenzen überhaupt entstehen und wie künftige Reaktoren sie gezielt überschreiten könnten.

Warum die Dichte für Fusion entscheidend ist

In einem Fusionsreaktor muss Plasma – ein überhitztes Gas aus geladenen Teilchen – heiß bleiben und zugleich viel Brennstoff enthalten.

Mehr Brennstoff erhöht die Wahrscheinlichkeit von Zusammenstößen, doch die in der Fusion verwendeten Wasserstoffbrennstoffe müssen weiterhin auf rund 150 Millionen Kelvin erhitzt werden, bevor die Fusion tatsächlich in Gang kommt.

Eine höhere Dichte ermöglicht es, dass dasselbe heiße Volumen erheblich mehr Fusion erzeugt, doch zusätzliche Teilchen verstärken auch die Kühlverluste.

Solche Ereignisse, die als Disruptionen bezeichnet werden, umfassen einen plötzlichen Verlust der Stabilität und des magnetischen Einschlusses – ein Risiko, das Ingenieurinnen und Ingenieure lange davon abgehalten hat, die Plasmadichte zu weit zu erhöhen.

Eine Obergrenze namens Greenwald

Die Greenwald-Dichtegrenze, ein empirischer Richtwert, der mit dem Plasmastrom skaliert, leitet Experimente zur Fusion bei hoher Dichte, seit sie 1988 eingeführt wurde.

In einem Tokamak, einem ringförmigen Reaktor mit Magneten, führte das Überschreiten dieser Grenze häufig zu einer abrupten Abschaltung.

Die Betreiber lernten daher, unter dieser Linie zu bleiben, selbst wenn zusätzlicher Brennstoff bei gleicher Wärmeleistung den Fusionsertrag gesteigert hätte.

Jahrzehntelange Forschung suchte anschließend nach Wegen um diese Grenze herum, wobei die Reaktorwand zunehmend in den Verdacht geriet.

Wandbedingungen bestimmen die Stabilität

Am Rand treffen heiße Teilchen auf Metalloberflächen und setzen Verunreinigungen frei – fremde Atome, die Energie abstrahlen.

Schnelle Ionen können Sputtern verursachen – durch Einschläge aus der Wand herausgelöste Atome –, wodurch diese Verunreinigungswolke dichter wird und das Plasma abkühlt.

Eine Theorie namens Plasma-Wand-Selbstorganisation (PWSO), nach der Wandbedingungen die Stabilität lenken, sagte voraus, dass sich dieses Gleichgewicht in einem sichereren Zustand einpendeln könnte.

EAST lieferte dieser Idee konkrete Unterstützung, indem es zeigte, dass eine frühe Kontrolle der Wand die Dichte weiter steigen lassen kann, ohne Disruptionen auszulösen.

Direkte Erwärmung der Elektronen

Während des Anfahrens setzte das EAST-Team einen höheren Gasdruck sowie Elektronenzyklotronresonanzheizung (ECRH) ein, also Mikrowellenleistung, die Elektronen direkt erwärmt.

Die ECRH-Mikrowellen halfen dem Brennstoff, schneller zu zünden, sodass weniger Wandatome in den Kern gelangten und weniger Photonen Energie abführten.

Wiederholte ECRH-Entladungen verbesserten außerdem mit der Zeit den Zustand der Wand, und Zhus HUST-Gruppe beobachtete, dass spätere Durchläufe höhere Dichten bei geringerer Strahlung erreichten.

Diese frühen Entscheidungen legten das Gleichgewicht zwischen Wand und Plasma fest, das nach PWSO darüber entscheidet, ob ein Durchlauf eine Grenze erreicht oder ihr entkommt.

Stabiler Brennstoff bei extremer Dichte

In einem neu demonstrierten Betriebszustand blieb das Plasma stabil, obwohl immer mehr Brennstoff in den Reaktor eingebracht wurde.

Während dieser Durchläufe arbeitete EAST bei Brennstoffdichten, die etwa 1,3- bis 1,65-mal über seinem typischen Arbeitsbereich lagen.

Sauberere Bedingungen im Reaktor verringerten die Energieverluste, wodurch das Plasma heiß blieb, statt auseinanderzubrechen.

Bislang wurde diese Stabilität beim Anfahren nachgewiesen. Die nächste Herausforderung besteht darin, sie im Betrieb mit höherer Leistung aufrechtzuerhalten.

Auf dem Weg zu Fusionszündbedingungen

Das Erreichen der Fusionszündung, einer Selbsterwärmung, die Reaktionen am Laufen hält, erfordert weiterhin mehr als nur eine höhere Dichte in einer einzelnen Anlage.

Um das Lawson-Kriterium zu erfüllen, das Ziel für Dichte, Temperatur und Zeit bis zur Nettoenergie, müssen zudem höhere Temperaturen und ein längerer Einschluss erreicht werden.

Als Nächstes plant das EAST-Team, dasselbe Anfahrverfahren im Hochkonfinierungsmodus zu testen, einem Zustand mit geringeren Wärmeverlusten.

Ein Erfolg dort würde brennendes Plasma unterstützen, eine Phase, in der Fusionsprodukte die Wärme aufrechterhalten, doch die Wände müssen weiterhin intensiven Teilchenbeschuss überstehen.

Hindernisse bleiben bestehen

Auch wenn die Dichte nun erschlossen ist, versucht heißes Plasma weiterhin, die Wände zu berühren, und dieser Kontakt kann Oberflächen innerhalb von Sekunden schmelzen.

Schnelle Neutronen transportieren ebenfalls Energie aus der Reaktion heraus, während wiederholte Treffer Metalle und Beschichtungen langsam schwächen.

Eine zuverlässige Wandkontrolle muss Entladung für Entladung funktionieren, denn bereits kleine Veränderungen des Oberflächenzustands können den nächsten Durchlauf verändern.

Der Fortschritt beseitigt vorerst einen Engpass, garantiert jedoch keinen Reaktor, der mehr Energie erzeugt, als er verbraucht.

Fusionsanlagen der nächsten Generation

In Anlagen mit wolframverkleideten Bauteilen können niedrigere Wandtemperaturen Sputtern und Strahlung ausreichend reduzieren, um dichte Plasmen stabil zu halten.

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

Die EAST-Experimente verknüpften eine lange gefürchtete Dichteobergrenze mit dem Verhalten der Wand, und diese Verbindung gibt Ingenieurinnen und Ingenieuren einen neuen Ansatz zur Steuerung.

Bevor jemand behaupten kann, dass die Zündung in Reichweite ist, müssen künftige Arbeiten dieselbe Stabilität unter Bedingungen mit höherer Leistung nachweisen.