Kühlung von 100 Millionen Grad Plasma mit einem Eispellet aus einer Wasserstoff-Neon-Mischung

Bei ITER – dem weltweit größten experimentellen Fusionsreaktor, der derzeit in Frankreich durch internationale Zusammenarbeit gebaut wird – stellt die abrupte Beendigung des magnetischen Einschlusses eines Hochtemperaturplasmas durch eine sogenannte „Störung“ ein großes offenes Problem dar. Als Gegenmaßnahme sind Disruptionsminderungstechniken, die es ermöglichen, das Plasma zwangsweise zu kühlen, wenn Anzeichen von Plasmainstabilitäten erkannt werden, weltweit Gegenstand intensiver Forschung.

Jetzt fand ein Team japanischer Forscher der National Institutes for Quantum Science and Technology (QST) und des National Institute for Fusion Science (NIFS) des National Institute of National Sciences (NINS) heraus, dass durch Zugabe von etwa 5 % Neon zu einem Wasserstoff-Eis-Pellet es ist möglich, das Plasma tiefer unter seiner Oberfläche und damit effektiver zu kühlen, als wenn reine Wasserstoff-Eis-Pellets injiziert werden.

Anhand theoretischer Modelle und experimenteller Messungen mit fortschrittlicher Diagnostik am Large Helical Device des NIFS klärten die Forscher die Dynamik des dichten Plasmoids auf, das sich um das Eispellet bildet, und identifizierten die physikalischen Mechanismen, die für die erfolgreiche Leistungssteigerung des Zwangskühlsystems verantwortlich sind , die für die Durchführung der Experimente am ITER unabdingbar ist. Diese Ergebnisse werden zur Etablierung von Plasmakontrolltechnologien für zukünftige Fusionsreaktoren beitragen. Der Bericht des Teams wurde online verfügbar gemacht in Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Der Bau des weltgrößten experimentellen Fusionsreaktors ITER ist in Frankreich in internationaler Zusammenarbeit im Gange. Am ITER werden Experimente durchgeführt, um 500 MW Fusionsenergie zu erzeugen, indem der „Brennzustand“ des Wasserstoffisotopenplasmas bei mehr als 100 Millionen Grad gehalten wird. Eines der Haupthindernisse für den Erfolg dieser Experimente ist ein Phänomen namens „Störung“, bei dem die Magnetfeldkonfiguration, die zum Einschließen des Plasmas verwendet wird, aufgrund magnetohydrodynamischer Instabilitäten zusammenbricht.

Eine Störung führt dazu, dass das Hochtemperaturplasma in die Innenfläche des Behälters fließt, was zu strukturellen Schäden führt, die wiederum Verzögerungen im Versuchsplan und höhere Kosten verursachen können. Obwohl die Maschine und die Betriebsbedingungen von ITER sorgfältig entworfen wurden, um Störungen zu vermeiden, bleiben Ungewissheiten und für eine Reihe von Experimenten, so dass eine spezielle Maschinenschutzstrategie als Absicherung erforderlich ist.

Eine vielversprechende Lösung für dieses Problem ist eine Technik namens „Disruption Mitigation“, die das Plasma in dem Stadium, in dem erste Anzeichen von Instabilitäten erkannt werden, die eine Störung verursachen können, zwangsweise kühlt, wodurch Schäden an Plasma-zugewandten Materialkomponenten verhindert werden. Als Basisstrategie entwickeln die Forscher eine Methode, bei der Eispellets aus Wasserstoff bei Temperaturen unter 10 Kelvin gefroren und in ein Hochtemperaturplasma injiziert werden.

Das injizierte Eis schmilzt von der Oberfläche und verdampft und ionisiert aufgrund der Erwärmung durch das umgebende Hochtemperaturplasma, wodurch eine Schicht aus Niedertemperaturplasma hoher Dichte (im Folgenden als „Plasmoid“ bezeichnet) um das Eis herum gebildet wird. Ein solches Plasmoid mit niedriger Temperatur und hoher Dichte vermischt sich mit dem Hauptplasma, dessen Temperatur dabei reduziert wird. In jüngsten Experimenten wurde jedoch deutlich, dass bei Verwendung von reinem Wasserstoffeis das Plasmoid ausgestoßen wird, bevor es sich mit dem Zielplasma vermischen kann, wodurch es für die Kühlung des Hochtemperaturplasmas tiefer unter der Oberfläche unwirksam wird.

Dieser Ausstoß wurde dem hohen Druck des Plasmoids zugeschrieben. Qualitativ neigt ein Plasma, das in einem ringförmigen Magnetfeld eingeschlossen ist, dazu, sich proportional zum Druck nach außen auszudehnen. Plasmoide, die durch Schmelzen und Ionisation von Wasserstoffeis entstehen, sind kalt, aber sehr dicht. Da der Temperaturausgleich viel schneller ist als der Dichteausgleich, steigt der Plasmoiddruck über den des heißen Zielplasmas. Die Folge ist, dass das Plasmoid polarisiert wird und eine Driftbewegung durch das Magnetfeld erfährt, so dass es sich nach außen ausbreitet, bevor es sich vollständig mit dem heißen Zielplasma vermischen kann.

Eine Lösung für dieses Problem wurde aus theoretischen Analysen vorgeschlagen: Modellrechnungen sagten voraus, dass durch das Einmischen einer kleinen Menge Neon in Wasserstoff der Druck des Plasmoids verringert werden könnte. Neon gefriert bei einer Temperatur von etwa 20 Kelvin und erzeugt im Plasmoid eine starke Linienstrahlung. Wenn also das Neon vor der Injektion mit Wasserstoffeis gemischt wird, kann ein Teil der Heizenergie als Photonenenergie emittiert werden.

Um solch eine vorteilhafte Wirkung der Verwendung einer Wasserstoff-Neon-Mischung zu demonstrieren, wurde eine Reihe von Experimenten im Large Helical Device (LHD) in Toki, Japan, durchgeführt. Die LHD betreibt seit vielen Jahren mit hoher Zuverlässigkeit ein Gerät namens „Solid Hydrogen Pellet Injektor“, das Eispellets mit einem Durchmesser von ca. 3 mm mit einer Geschwindigkeit von 1100 m/s injiziert. Aufgrund der hohen Zuverlässigkeit des Systems ist es möglich, Wasserstoffeis mit einer zeitlichen Genauigkeit von 1 ms in das Plasma zu injizieren, was die Messung der Plasmatemperatur und -dichte unmittelbar nach dem Schmelzen des injizierten Eises ermöglicht.

Kürzlich wurde im LHD-System mit neuer Lasertechnologie die weltweit höchste Zeitauflösung für Thomson Scattering (TS) von 20 kHz erreicht. Mit diesem System hat das Forschungsteam die Evolution von Plasmoiden erfasst. Sie fanden heraus, dass, wie durch theoretische Berechnungen vorhergesagt, der Plasmoidausstoß unterdrückt wurde, wenn Wasserstoffeis mit etwa 5 % Neon dotiert wurde, im krassen Gegensatz zu dem Fall, in dem reines Wasserstoffeis injiziert wurde. Darüber hinaus bestätigten die Experimente, dass das Neon eine nützliche Rolle bei der effektiven Kühlung des Plasmas spielt.

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen erstmals, dass die Injektion von Wasserstoff-Eis-Pellets, die mit einer kleinen Menge Neon dotiert sind, in ein Hochtemperaturplasma nützlich ist, um den tiefen Kernbereich des Plasmas effektiv zu kühlen, indem der Plasmoidausstoß unterdrückt wird. Dieser Effekt des Neon-Dopings ist nicht nur als neues experimentelles Phänomen interessant, sondern unterstützt auch die Entwicklung der Basisstrategie der Störungsminderung in ITER. Die Designüberprüfung des ITER-Störungsminderungssystems ist für 2023 geplant, und die vorliegenden Ergebnisse werden dazu beitragen, die Leistung des Systems zu verbessern.