Neuer Plasmaaustrittsmechanismus könnte Fusionsgefäße vor übermäßiger Hitze schützen

Laut Forschern des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE), des Oak Ridge National Laboratory und der ITER Organization (ITER) ist die enorme Abgaswärme, die von einem fusionierenden Plasma in einem Reaktor im kommerziellen Maßstab erzeugt wird, für das Innere des Reaktors möglicherweise nicht so schädlich wie bislang angenommen.

„Diese Entdeckung verändert grundlegend unsere Vorstellungen davon, wie sich Wärme und Partikel während der Fusion zwischen zwei äußerst wichtigen Bereichen am Rand eines Plasmas bewegen“, sagte Choongseok Chang, leitender Forschungsphysiker des PPPL, der das Forscherteam hinter der Entdeckung leitete. Ein neues Papier, das ihre Arbeit detailliert beschreibt, wurde kürzlich veröffentlicht. veröffentlicht im Journal Kernfusionim Anschluss an frühere Veröffentlichungen zu diesem Thema.

Um eine Fusion zu erreichen, müssen die Temperaturen in einem Tokamak – dem ringförmigen Gerät, das das Plasma enthält – über 150 Millionen Grad Celsius steigen. Das ist zehnmal heißer als im Zentrum der Sonne. Etwas so Heißes einzudämmen ist eine Herausforderung, auch wenn das Plasma durch Magnetfelder größtenteils von den inneren Oberflächen ferngehalten wird. Diese Felder halten den Großteil des Plasmas in einem zentralen Bereich, dem so genannten Kern, eingeschlossen, der einen ringförmigen Ring bildet.

Einige Partikel und Wärme entweichen jedoch aus dem eingeschlossenen Plasma und treffen auf das dem Plasma zugewandte Material. Neue Erkenntnisse der PPPL-Forscher deuten darauf hin, dass Partikel, die aus dem Kernplasma in einem Tokamak entweichen, mit einem größeren Bereich des Tokamaks kollidieren als bisher angenommen, wodurch das Risiko einer Beschädigung erheblich verringert wird.

Frühere Forschungen auf der Grundlage physikalischer und experimenteller Daten von heutigen Tokamaks haben gezeigt, dass sich die Abgaswärme auf ein sehr schmales Band entlang eines Teils der Tokamak-Wand konzentriert, der als Divertorplatten bezeichnet wird. Der Divertor dient dazu, Abgaswärme und Partikel aus dem brennenden Plasma zu entfernen und ist für die Leistung eines Tokamaks von entscheidender Bedeutung.

„Wenn die ganze Hitze auf diesen schmalen Bereich trifft, wird dieser Teil der Divertorplatte sehr schnell beschädigt“, sagte Chang, der in der PPPL-Theorieabteilung arbeitet. „Das könnte häufige Ausfallzeiten bedeuten. Selbst wenn Sie nur diesen Teil der Maschine ersetzen, wird das nicht schnell gehen.“

Das Problem hat den Betrieb bestehender Tokamaks nicht gestoppt, die nicht so leistungsstark sind wie die, die für einen großtechnischen Fusionsreaktor benötigt werden. In den letzten Jahrzehnten gab es jedoch erhebliche Bedenken, dass ein großtechnisches Gerät so dichte und heiße Plasmen erzeugen könnte, dass die Divertorplatten beschädigt werden könnten. Ein vorgeschlagener Plan sah vor, dem Rand des Plasmas Verunreinigungen hinzuzufügen, um die Energie des entweichenden Plasmas abzustrahlen und so die Intensität der Hitze zu verringern, die auf das Divertormaterial trifft, aber Chang sagte, dieser Plan sei immer noch eine Herausforderung.

Simulation des Fluchtweges

Chang beschloss zu untersuchen, wie die Partikel entweichen und wo die Partikel in einem solchen Gerät wie ITER landen würden, der multinationalen Fusionsanlage, die derzeit in Frankreich gebaut wird. Zu diesem Zweck erstellte seine Gruppe eine Plasmasimulation mit einem Computercode namens X-Point inklusive Gyrokinetik-Code (XGC). Dieser Code ist einer von mehreren, die von PPPL entwickelt und gepflegt werden und für die Fusionsplasmaforschung verwendet werden.

Die Simulation zeigte, wie sich Plasmapartikel über die Magnetfeldoberfläche bewegten, die als Grenze zwischen dem eingeschlossenen Plasma und dem nicht eingeschlossenen Plasma dienen sollte, einschließlich des Plasmas im Divertorbereich. Diese von externen Magneten erzeugte Magnetfeldoberfläche wird als letzte Einschlussoberfläche bezeichnet.

Vor ein paar Jahrzehnten entdeckten Chang und seine Kollegen, dass geladene Teilchen, sogenannte Ionen, diese Barriere durchquerten und auf die Divertorplatten trafen. Später entdeckten sie, dass diese entweichenden Ionen dafür sorgten, dass die Wärmelast auf einen sehr engen Bereich der Divertorplatten konzentriert wurde.

Vor einigen Jahren stellten Chang und seine Kollegen fest, dass die Plasmaturbulenz negativ geladenen Teilchen, so genannten Elektronen, ermöglichen kann, die letzte Einschlussfläche zu durchqueren und die Wärmebelastung der Divertorplatten im ITER um das Zehnfache zu erhöhen. Die Simulation ging jedoch immer noch davon aus, dass die letzte Einschlussfläche durch die Plasmaturbulenz nicht gestört wurde.

„In der neuen Arbeit zeigen wir, dass die letzte Einschlussfläche durch die Plasmaturbulenzen während der Fusion stark gestört wird, selbst wenn es keine Störungen durch externe Spulen oder abrupte Plasmainstabilitäten gibt“, sagte Chang. „Eine gute letzte Einschlussfläche existiert aufgrund der verrückten, turbulenten magnetischen Oberflächenstörung, die als homokline Verwicklungen bezeichnet wird, nicht.“

Tatsächlich, so Chang, habe die Simulation gezeigt, dass Elektronen den Rand des Hauptplasmas mit den Divertorplasmen verbinden. Der Weg der Elektronen, wenn sie dem Weg dieser homoklinen Verwicklungen folgen, erweitert die Hitzeschlagzone um 30 Prozent mehr als die bisherige Breitenschätzung, die allein auf Turbulenzen beruhte.

Er erklärte: „Das bedeutet, dass es noch unwahrscheinlicher ist, dass die Divertoroberfläche durch die Abgaswärme beschädigt wird, wenn diese mit der Strahlungskühlung der Elektronen durch die Injektion von Verunreinigungen in das Divertorplasma kombiniert wird. Die Forschung zeigt auch, dass die turbulenten homoklinen Verwicklungen die Wahrscheinlichkeit abrupter Instabilitäten am Rand des Plasmas verringern können, da sie deren Antriebskraft schwächen.“

„Die letzte Einschlussfläche in einem Tokamak ist nicht vertrauenswürdig“, sagte Chang. „Aber ironischerweise könnte sie die Fusionsleistung steigern, indem sie die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Divertoroberfläche im Dauerbetrieb verringert und den vorübergehenden Ausbruch von Plasmaenergie an der Divertoroberfläche aufgrund der abrupten Plasmainstabilitäten am Rand eliminiert, die zu den leistungsbegrenzendsten Problemen bei zukünftigen kommerziellen Tokamak-Reaktoren gehören.“