Um kommerzielle Energie zu erzeugen, müssen künftige Fusionskraftwerke Temperaturen von 100 Millionen Grad Celsius erreichen. Dazu ist eine sorgfältige Steuerung des Plasmas erforderlich. In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Kernfusionhaben die Forscher die Betriebsbedingungen verfeinert, um die erforderlichen Temperaturen in einem kompakten kugelförmigen Tokamak-Gerät namens ST40 zu erreichen.
Dieses Gerät ist einzigartig; Es ist viel kleiner und hat ein kugelförmigeres Plasma als andere Fusionsgeräte. Um diese Ergebnisse zu erzielen, verwendeten die Forscher einen ähnlichen Ansatz wie frühere „Supershots“, die in den 1990er Jahren im TFTR-Tokamak mehr als 10 Millionen Watt Fusionsleistung erzeugten.
Diese Anstrengung demonstrierte zum ersten Mal fusionsrelevante Ionentemperaturen in einem kompakten, kugelförmigen Tokamak mit hohem Magnetfeld. Dies bestätigt, dass der kugelförmige Tokamak eine der Voraussetzungen erfüllen kann, die für die kommerzielle Fusionsenergieerzeugung erforderlich sind. Diese Ergebnisse zeigen auch, dass ähnliche Fusionspilotanlagen zu kompakteren und möglicherweise wirtschaftlicheren Fusionsenergiequellen führen können als andere Konfigurationen.
Forscher des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) und von Tokamak Energy Ltd arbeiteten im Rahmen eines einzigartigen gemeinsamen Forschungs- und Entwicklungsabkommens (CRADA) zusammen, um Betriebsszenarien und Analysemethoden zu entwickeln. Ihre Experimente haben nun das Erreichen fusionsrelevanter hoher Ionentemperaturen in einer privat gebauten experimentellen Fusionsanlage nachgewiesen. Forscher von PPPL und ORNL haben sich aktiv am Betrieb und der Datenanalyse des ST40-Geräts beteiligt, um die für kommerzielle Fusionsenergie erforderlichen Plasmatemperaturen zu erreichen.
In der Forschung arbeiteten ST40-Plasmen bei toroidalen Magnetfeldwerten von knapp über 2 Tesla und wurden durch 1,8 Millionen Watt hochenergetischer Neutralteilchen erhitzt. Während die ST40-Plasmaentladungen nur 150 Millisekunden dauerten, wies das Plasma Ionentemperaturen von mehr als 100 Millionen Grad Celsius auf.
Die Forscher verwendeten den am PPPL entwickelten TRANSP-Transportcode, um die Ionentemperatur der Hauptspezies Deuterium basierend auf den Bereichen der gemessenen Verunreinigungstemperaturprofile zu bestimmen. Diese Profile zeigen den Temperaturbereich der Verunreinigungsionen (im Bild oben blau dargestellt) deutlich über 8,6 keV (100 Millionen Grad Celsius) und den Bereich der Deuteriumtemperaturen (in Magenta dargestellt) um das 8,6 keV-Niveau.
Mehr Informationen:
SAM McNamara et al, Erreichen von Ionentemperaturen von über 100 Millionen Grad Kelvin im kompakten sphärischen Hochfeld-Tokamak ST40, Kernfusion (2023). DOI: 10.1088/1741-4326/acbec8