Ein neues Gesetz entfesselt die Fusionsenergie

Physiker der EPFL haben im Rahmen einer großen europäischen Zusammenarbeit eines der Grundgesetze überarbeitet, das seit über drei Jahrzehnten die Grundlage der Plasma- und Fusionsforschung bildet und sogar das Design von Megaprojekten wie ITER regelt. Das Update zeigt, dass wir tatsächlich mehr Wasserstoffbrennstoff in Fusionsreaktoren sicher verwenden und daher mehr Energie gewinnen können als bisher angenommen.

Fusion ist eine der vielversprechendsten Energiequellen der Zukunft. Dabei verbinden sich zwei Atomkerne zu einem und setzen dabei enorme Energiemengen frei. Tatsächlich erleben wir Fusion jeden Tag: Die Sonnenwärme kommt von Wasserstoffkernen, die zu schwereren Heliumatomen verschmelzen.

Derzeit gibt es ein internationales Fusionsforschungs-Megaprojekt namens ITER, das darauf abzielt, die Fusionsprozesse der Sonne zu replizieren, um Energie auf der Erde zu erzeugen. Sein Ziel ist die Erzeugung von Hochtemperaturplasma, das die richtige Umgebung für die Fusion bietet und Energie erzeugt.

Plasmen – ein ionisierter Materiezustand ähnlich einem Gas – bestehen aus positiv geladenen Kernen und negativ geladenen Elektronen und sind fast eine Million Mal weniger dicht als die Luft, die wir atmen. Plasmen werden erzeugt, indem „der Fusionsbrennstoff“ – Wasserstoffatome – extrem hohen Temperaturen ausgesetzt wird (10 mal so hoch wie im Kern der Sonne), wodurch Elektronen gezwungen werden, sich von ihren Atomkernen zu trennen. Der Prozess findet in einer ringförmigen („toroidalen“) Struktur statt, die als „Tokamak“ bezeichnet wird.

„Um Plasma für die Fusion zu erzeugen, muss man drei Dinge berücksichtigen: hohe Temperatur, hohe Dichte des Wasserstoffbrennstoffs und guten Einschluss“, sagt Paolo Ricci vom Swiss Plasma Center, einem der weltweit führenden Forschungsinstitute im Bereich Fusion EPFL.

Riccis Team, das im Rahmen einer großen europäischen Zusammenarbeit arbeitet, hat nun eine Studie veröffentlicht, die ein grundlegendes Prinzip der Plasmaerzeugung aktualisiert – und zeigt, dass der kommende ITER-Tokamak tatsächlich mit der doppelten Menge an Wasserstoff arbeiten und daher mehr Fusionsenergie erzeugen kann als bisher angenommen.

„Eine der Einschränkungen bei der Herstellung von Plasma in einem Tokamak ist die Menge an Wasserstoffbrennstoff, die man hineinspritzen kann“, sagt Ricci. „Seit den Anfängen der Fusion wissen wir, dass es irgendwann zu dem kommt, was wir eine ‚Störung‘ nennen, wenn man versucht, die Brennstoffdichte zu erhöhen – im Grunde verliert man die Begrenzung vollständig und Plasma geht überallhin. Also rein In den achtziger Jahren versuchten die Leute, eine Art Gesetz zu erfinden, das die maximale Wasserstoffdichte vorhersagen könnte, die man in einen Tokamak füllen kann.

Eine Antwort kam 1988, als der Fusionswissenschaftler Martin Greenwald ein berühmtes Gesetz veröffentlichte, das die Brennstoffdichte mit dem kleineren Radius des Tokamaks (dem Radius des inneren Kreises des Donuts) und dem Strom, der im Plasma innerhalb des Tokamaks fließt, in Beziehung setzt. Seitdem ist die „Greenwald-Grenze“ ein Grundprinzip der Fusionsforschung; Tatsächlich basiert die Tokamak-Baustrategie von ITER darauf.

„Greenwald leitete das Gesetz empirisch ab, das heißt vollständig aus experimentellen Daten – keine getestete Theorie oder das, was wir ‚erste Prinzipien‘ nennen würden“, erklärt Ricci. „Trotzdem hat die Grenze für die Forschung ziemlich gut funktioniert. Und in einigen Fällen, wie bei DEMO (dem Nachfolger von ITER), stellt diese Gleichung eine große Grenze für ihren Betrieb dar, weil sie besagt, dass man die Brennstoffdichte nicht über ein bestimmtes Niveau hinaus erhöhen kann.“

In Zusammenarbeit mit anderen Tokamak-Teams entwarf das Swiss Plasma Center ein Experiment, bei dem es möglich war, hochentwickelte Technologie einzusetzen, um die in einen Tokamak eingespritzte Kraftstoffmenge präzise zu steuern. Die massiven Experimente wurden an den weltweit grössten Tokamaks, dem Joint European Torus (JET) in Grossbritannien, sowie dem ASDEX Upgrade in Deutschland (Max-Plank-Institut) und dem EPFL-eigenen TCV-Tokamak durchgeführt. Dieser große experimentelle Aufwand wurde durch das EUROfusion-Konsortium ermöglicht, die europäische Organisation, die die Fusionsforschung in Europa koordiniert und an der die EPFL nun über das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Deutschland beteiligt ist.

Gleichzeitig hat Maurizio Giacomin, ein Ph.D. Student in Riccis Gruppe, begann, die physikalischen Prozesse zu analysieren, die die Dichte in Tokamaks begrenzen, um ein Grundprinzip abzuleiten, das die Brennstoffdichte und die Tokamakgröße korrelieren kann. Ein Teil davon beinhaltete jedoch die Verwendung einer fortschrittlichen Simulation des Plasmas, die mit einem Computermodell durchgeführt wurde.

„Die Simulationen nutzen einige der größten Computer der Welt, wie sie vom CSCS, dem Swiss National Supercomputing Centre und von EUROfusion zur Verfügung gestellt werden“, sagt Ricci. „Und was wir durch unsere Simulationen herausgefunden haben, war, dass sich Teile davon von der äußeren kalten Schicht des Tokamaks, der Grenze, zurück in seinen Kern bewegen, wenn Sie dem Plasma mehr Brennstoff hinzufügen, weil das Plasma turbulenter wird. Dann Im Gegensatz zu einem elektrischen Kupferdraht, der beim Erhitzen widerstandsfähiger wird, werden Plasmen beim Abkühlen widerstandsfähiger. Je mehr Brennstoff Sie also bei gleicher Temperatur hineingeben, desto mehr Teile davon kühlen ab – und desto schwieriger ist es dass Strom im Plasma fließen kann, was möglicherweise zu einer Störung führt.“

Dies war schwierig zu simulieren. „Turbulenzen in einer Flüssigkeit sind eigentlich die wichtigste offene Frage der klassischen Physik“, sagt Ricci. „Aber Turbulenzen in einem Plasma sind noch komplizierter, weil es auch elektromagnetische Felder gibt.“

Am Ende waren Ricci und seine Kollegen in der Lage, den Code zu knacken und „Stift zu Papier“ zu bringen, um eine neue Gleichung für die Kraftstoffbegrenzung in einem Tokamak abzuleiten, die sehr gut mit Experimenten übereinstimmt. Veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfunges wird Greenwalds Grenze gerecht, indem es nahe daran ist, aktualisiert es jedoch auf signifikante Weise.

Die neue Gleichung geht davon aus, dass die Greenwald-Grenze in Bezug auf den Brennstoff in ITER fast um das Zweifache angehoben werden kann; Das bedeutet, dass Tokamaks wie ITER tatsächlich fast die doppelte Menge an Brennstoff verbrauchen können, um Plasmen zu erzeugen, ohne sich Sorgen um Störungen machen zu müssen. „Das ist wichtig, weil es zeigt, dass die Dichte, die man in einem Tokamak erreichen kann, mit der Leistung zunimmt, die man braucht, um es zu betreiben“, sagt Ricci. „Tatsächlich wird DEMO mit einer viel höheren Leistung arbeiten als die derzeitigen Tokamaks und ITER, was bedeutet, dass Sie im Gegensatz zum Greenwald-Gesetz mehr Brennstoffdichte hinzufügen können, ohne die Leistung zu begrenzen. Und das sind sehr gute Nachrichten.“