Dem Feuer gerade genug Brennstoff hinzufügen

Wie viel Brennstoff können wir dem Feuer hinzufügen und dabei trotzdem die Kontrolle behalten? Metaphorisch gesprochen ist das die Frage, die sich in letzter Zeit ein Team am Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums gestellt hat.

Jetzt glauben sie, die Antwort auf ein bestimmtes Szenario zu haben. Dies alles ist Teil der Arbeit des Labors, Energie aus der Fusion in das Stromnetz einzuspeisen.

Aufbauend auf jüngsten Erkenntnissen, die zeigen, dass es vielversprechend ist, die Innenfläche des Gefäßes, das ein Fusionsplasma enthält, mit flüssigem Lithium zu beschichten, haben die Forscher die maximale Dichte ungeladener oder neutraler Partikel am Rand eines Plasmas bestimmt, bevor der Rand des Plasmas abkühlt und bestimmte Instabilitäten werden unvorhersehbar.

Die Kenntnis der maximalen Dichte neutraler Teilchen am Rand eines Fusionsplasmas ist wichtig, da sie den Forschern ein Gefühl dafür gibt, wie und wie viel die Fusionsreaktion angetrieben werden muss.

Die Forschung, die in a vorgestellt wird neues Papier In Kernfusion, umfasst Beobachtungen, numerische Simulationen und Analysen ihrer Experimente in einem Fusionsplasmagefäß namens Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β).

Die einzigartige Umgebung von LTX-β

LTX-β ist eines von vielen Fusionsgefäßen auf der ganzen Welt, das Plasma mithilfe von Magnetfeldern in einer Donutform hält. Solche Gefäße werden Tokamaks genannt. Das Besondere an diesem Tokamak ist, dass seine Innenwände nahezu vollständig mit Lithium beschichtet werden können. Dadurch verändert sich das Wandverhalten grundlegend, da das Lithium einen sehr hohen Prozentsatz der aus dem Plasma austretenden Wasserstoffatome festhält.

Ohne das Lithium würde viel mehr Wasserstoff von den Wänden abprallen und zurück in das Plasma gelangen. Anfang 2024 berichtete das Forschungsteam, dass diese Umgebung mit geringem Wasserstoffrecycling den äußersten Rand des Plasmas heiß hält, wodurch das Plasma stabiler wird und Platz für ein größeres Plasmavolumen entsteht.

„Wir versuchen zu zeigen, dass eine Lithiumwand einen kleineren Fusionsreaktor ermöglichen kann, was zu einer höheren Leistungsdichte führt“, sagte Richard Majeski, leitender Forschungsphysiker bei PPPL und Leiter von LTX-β. Letztendlich könnte diese Forschung zu der kostengünstigen Fusionsenergiequelle führen, die die Welt braucht.

Nun hat das LTX-β-Team weitere Erkenntnisse veröffentlicht, die den Zusammenhang zwischen dem Brennstoff für das Plasma und seiner Stabilität zeigen. Insbesondere fanden die Forscher die maximale Dichte neutraler Partikel am Rand des Plasmas im Inneren von LTX-β, bevor der Rand abzukühlen beginnt, was möglicherweise zu Stabilitätsproblemen führt.

Die Forscher glauben, dass sie die Wahrscheinlichkeit bestimmter Instabilitäten verringern können, indem sie die Dichte am Rand des Plasmas unter ihrem neu definierten Wert von 1 x 1019 m–3 halten. Dies ist das erste Mal, dass ein solcher Wert für LTX-β festgelegt wurde, und das Wissen, dass dies ein großer Schritt in ihrer Mission ist, zu beweisen, dass Lithium die ideale Wahl für eine Innenwandbeschichtung in einem Tokamak ist, weil es sie zu den besten Praktiken führt zum Befeuern ihrer Plasmen.

Bei LTX-β wird die Fusion auf zwei Arten vorangetrieben: durch Wasserstoffgasstöße vom Rand und einen Strahl neutraler Teilchen. Forscher verfeinern die Kombination beider Methoden, um ein optimales Plasma zu erzeugen, das die Fusion in zukünftigen Fusionsreaktoren über einen langen Zeitraum aufrechterhält und gleichzeitig genügend Energie erzeugt, um sie für das Stromnetz nutzbar zu machen.

Verfeinerung von Methoden zur Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Temperatur im gesamten Plasma

Physiker vergleichen oft die Temperatur am Rand mit der Kerntemperatur, um abzuschätzen, wie einfach es ist, damit umzugehen. Sie tragen diese Zahlen in einem Diagramm ein und berücksichtigen die Steigung der Linie. Wenn die Temperatur am inneren Kern und am äußeren Rand nahezu gleich ist, ist die Linie nahezu flach, man spricht also von einem flachen Temperaturprofil. Wenn die Temperatur am äußeren Rand deutlich niedriger ist als die Temperatur am inneren Kern, sprechen Wissenschaftler von einem Spitzentemperaturprofil.

„Das Team hat die maximale Dichte neutraler Teilchen jenseits des Randes eines Plasmas ermittelt, die immer noch ein Temperaturprofil mit flachem Rand ermöglicht. Wenn Sie diese Anzahl neutraler Teilchen am Rand überschreiten, wird Ihre Randtemperatur definitiv sinken, und Sie werden in einem enden „Höhepunkt des Temperaturprofils“, sagte Santanu Banerjee, Forschungsphysiker am PPPL und Hauptautor des neuen Papiers.

„Dieselbe neutrale Dichte ist die Schwelle für Instabilitäten, die als Tearing-Modi bekannt sind. Über dieser Dichte neigen Tearing-Modi dazu, destabilisiert zu werden, eine Gefahr für das Plasma darzustellen und die Fusionsreaktion zu stoppen, wenn sie unkontrolliert bleibt.“

Werden die Instabilitäten zu groß, endet die Fusionsreaktion. Um das Stromnetz zu unterstützen, finden Forscher heraus, wie man ein Fusionsplasma am besten so steuern kann, dass die Reaktion stabil ist.

Banerjee und Majeski arbeiteten mit mehreren anderen Forschern an dem Papier zusammen, darunter Dennis Boyle, Anurag Maan, Nate Ferraro, George Wilkie, Mario Podesta und Ron Bell von PPPL.

Die Arbeit am Projekt geht weiter. PPPL-Ingenieur Dylan Corl optimiert die Richtung, in der der neutrale Strahl, der zum Erhitzen des Plasmas verwendet wird, in den Tokamak injiziert wird. „Wir erstellen im Grunde einen neuen Port dafür“, sagte Corl. Er verwendet ein 3D-Modell des LTX-β und testet verschiedene Strahlbahnen, um sicherzustellen, dass der Strahl nicht auf andere Teile der Ausrüstung trifft, beispielsweise auf Werkzeuge, die zur Messung des Plasmas verwendet werden. „Es war eine Herausforderung, den besten Blickwinkel zu finden, aber ich glaube, wir haben ihn jetzt geschafft“, sagte Corl.