Überraschende Attraktivität der Hürde für die Entwicklung sicherer, sauberer und kohlenstofffreier Energie

Wissenschaftler haben die bemerkenswerte Auswirkung der Umkehrung einer Standardmethode zur Bekämpfung eines Haupthindernisses für die Erzeugung von Fusionsenergie auf der Erde entdeckt. Theoretiker des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) haben vorgeschlagen, genau das Gegenteil des vorgeschriebenen Verfahrens zu tun, um zukünftige Ergebnisse deutlich zu verbessern.

Löcher in Plasma reißen

Das Problem, das als „Locked Tearing Modes“ bezeichnet wird, tritt in allen heutigen Tokamaks auf, donutförmigen magnetischen Einrichtungen, die entwickelt wurden, um die praktisch unbegrenzte Fusionskraft zu erzeugen und zu steuern, die Sonne und Sterne antreibt. Die durch Instabilität verursachten Moden rotieren mit dem heißen, geladenen Plasma – dem vierten Materiezustand, der aus freien Elektronen und Atomkernen besteht, der Fusionsreaktionen antreibt – und reißen Löcher, sogenannte Inseln, in das Magnetfeld, das das Gas einschließt, wodurch wichtige Wärme entweichen kann .

Diese Inseln werden größer, wenn die Moden aufhören zu rotieren und an Ort und Stelle einrasten, eine Wachstumsrate, die den Wärmeverlust erhöht, die Plasmaleistung verringert und Störungen verursachen kann, die es der im Plasma gespeicherten Energie ermöglichen, die Innenwände des Tokamaks zu treffen und zu beschädigen. Um solche Risiken zu vermeiden, strahlen Forscher jetzt Mikrowellen in das Plasma, um die Moden zu stabilisieren, bevor sie einrasten können.

Die PPPL-Ergebnisse deuten jedoch stark darauf hin, dass die Forscher die Modi in großen Tokamaks der nächsten Generation stabilisieren, nachdem sie gesperrt wurden. In den heutigen Tokamaks „verriegeln sich diese Modi schneller als gedacht, und es wird viel schwieriger, sie zu stabilisieren, während sie sich noch drehen“, sagte Richard Nies, Doktorand im Princeton-Programm für Plasmaphysik und Hauptautor von a Kernfusion Papier, das die überraschenden Ergebnisse darlegt.

Ein weiterer Nachteil, fügte er hinzu, ist, dass „diese Mikrowellen ihre Breite vergrößern, indem sie das Plasma brechen, was die Stabilisierung des Modus während der Rotation heute noch weniger effizient macht, und dieses Problem hat sich in den letzten Jahren noch verschärft.“

Begleitend zu diesen Problemen ist die Tatsache, dass in großen zukünftigen Tokamaks wie ITER, der im Bau befindlichen internationalen Anlage in Südfrankreich, „das Plasma so riesig ist, dass die Rotation viel langsamer ist und diese Modi ziemlich schnell sperren, wenn sie noch ziemlich klein sind “, sagte Nies. „Deshalb wird es viel effizienter sein, das Stabilisierungspaket in großen zukünftigen Tokamaks auszutauschen und sie zuerst sperren und dann stabilisieren zu lassen.“

Diese Umkehrung könnte den Fusionsprozess erleichtern, den Wissenschaftler auf der ganzen Welt zu reproduzieren versuchen. Der Prozess kombiniert leichte Elemente in Form von Plasma, um große Mengen an Energie freizusetzen. „Dies bietet eine andere Sichtweise auf die Dinge und könnte ein viel effektiverer Weg sein, um mit dem Problem umzugehen“, sagte Allan Reiman, ein angesehener wissenschaftlicher Mitarbeiter und Mitautor des Papiers. „Die Menschen sollten die Möglichkeit ernster nehmen, die Inseln sperren zu lassen“, sagte Reiman.

Nah dran zu stören

Es ist unwahrscheinlich, dass die empfohlene Technik in den heutigen Tokamaks funktioniert, da Inseln im Tearing-Modus so schnell wachsen und so groß werden, wenn sie sich in diesen Einrichtungen einschließen, dass das Plasma kurz davor ist, zu zerbrechen, sobald es sich eingeschlossen hat. Aus diesem Grund müssen die Forscher jetzt große Energiemengen aufwenden, um die Moden auf Kosten der Begrenzung der Fusionsleistung zu stabilisieren. Im Gegensatz dazu lässt das langsame Wachstum von Inseln in Tokamaks der nächsten Generation „einen langen Weg vor sich, bevor es zu einer Unterbrechung kommt, sodass viel Zeit bleibt, um den Modus zu stabilisieren“, sagte Nies.

Sobald die Modi in zukünftigen Tokamaks festgesetzt sind, können Mikrowellen direkt auf sie zielen, anstatt sie nur zu stabilisieren, wenn sie in aktuellen Einrichtungen am Mikrowellenstrahl vorbei rotieren. „Diese theoretischen Berechnungen zeigen die Effizienz unseres Vorschlags“, betont Nies.

Was jetzt benötigt wird, sind Experimente, um die vorgeschlagene Vorgehensweise zu testen, sagte er. „Wir möchten ITER nicht einschalten und erst dann herausfinden, welche Strategie funktioniert. Es gibt eine echte Gelegenheit, die Physik zu erforschen, die wir in aktuellen Geräten ansprechen.“