Wie die Form eines Tokamaks die Grenzen des Plasmarandes beeinflusst

Um Energie aus Plasma zu gewinnen, muss man dessen Verhalten während der Fusion genau verstehen, damit es heiß, dicht und stabil bleibt. Ein neues theoretisches Modell über den Rand eines Plasmas, der instabil werden und sich ausbeulen kann, bringt die Aussicht auf kommerzielle Fusionsenergie der Realität näher.

„Das Modell verfeinert die Überlegungen zur Stabilisierung des Plasmarandes für verschiedene Tokamak-Formen“, sagte Jason Parisi, ein Forschungsphysiker am PPPL. Parisi ist der Hauptautor von drei Artikeln, die das Modell beschreiben und in den Zeitschriften veröffentlicht wurden Kernfusion Und Physik des Plasmas. Der Primärpapier konzentriert sich auf einen Teil des Plasmas, den sogenannten Sockel, der sich am Rand befindet. Der Sockel ist anfällig für Instabilitäten, da Temperatur und Druck des Plasmas in diesem Bereich oft stark abfallen.

Das neue Modell ist bemerkenswert, weil es das erste ist, das das Sockelverhalten widerspiegelt, das im National Spherical Torus Experiment (NSTX) des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) beobachtet wurde. Während herkömmliche Tokamaks die Form eines Donuts haben, ist NSTX einer von mehreren Tokamaks, die eher die Form eines entkernten Apfels haben. Der Unterschied in den Tokamak-Proportionen wirkt sich auf das Plasma und, wie das Modell zeigt, auf den Sockel aus.

Aufblähende Instabilitäten

Parisi erforschte zusammen mit einem Team von Wissenschaftlern die Grenzen von Sockeln und untersuchte, wie viel Druck auf das Plasma in einem Fusionsreaktor ausgeübt werden kann, bevor Instabilitäten auftreten. Insbesondere untersuchten sie Störungen im Sockel, die als Balloninstabilitäten bezeichnet werden: Plasmaausbuchtungen, die wie das Ende eines langen Ballons hervorstehen, wenn man ihn zusammendrückt.

„Das Modell ist eine Erweiterung eines Modells, das in diesem Bereich seit vielleicht zehn Jahren verwendet wird, aber wir haben die Berechnung der Ballonstabilität wesentlich ausgefeilter gemacht“, sagte Parisi.

Um ihr Modell zu entwickeln, untersuchten die Wissenschaftler die Beziehung zwischen Sockelmaßen – Höhe und Breite – und Instabilitäten durch Aufblähen. Parisi sagte, das neue Modell habe beim ersten Versuch gepasst. „Ich war überrascht, wie gut es funktioniert. Wir haben versucht, das Modell zu zerstören, um sicherzustellen, dass es genau ist, aber es passt wirklich gut zu den Daten“, sagte er.

Erweiterung des EPED-Modells

Das bestehende Modell, bekannt als EPED, funktionierte nachweislich bei donutförmigen Tokamaks, aber nicht bei der kugelförmigen Variante. „Wir haben uns entschieden, es auszuprobieren, und nur durch die Änderung eines Teils von EPED funktioniert es jetzt wirklich gut“, sagte Parisi. Die Ergebnisse geben den Forschern auch ein klareres Bild des Kontrasts zwischen den beiden Tokamak-Designs.

„Es gibt sicherlich einen großen Unterschied zwischen der Stabilitätsgrenze des apfelförmigen und des standardförmigen Tokamaks, und unser Modell kann nun einigermaßen erklären, warum dieser Unterschied besteht“, sagte er. Die Erkenntnisse könnten dazu beitragen, Plasmastörungen zu minimieren.

Tokamaks sind darauf ausgelegt, den Druck und die Temperatur des Plasmas zu erhöhen. Instabilitäten können diese Bemühungen jedoch zunichte machen. Wenn Plasma beispielsweise nach außen dringt und die Reaktorwände berührt, kann es diese mit der Zeit erodieren.

Instabilitäten können auch Energie vom Plasma abstrahlen. Wenn man weiß, wie steil ein Sockel sein kann, bevor Instabilitäten auftreten, könnte das Forschern helfen, Wege zu finden, um Plasmen für Fusionsreaktionen basierend auf den Proportionen des Tokamaks zu optimieren.

Er fügte zwar hinzu, dass noch nicht klar sei, welche Form vorteilhafter sei, das Modell jedoch andere Experimente nahelege, bei denen die positiven Aspekte der Apfelform ausgeschöpft und deren Nutzen geprüft werden könne.

Das neue Modell trägt grundsätzlich zu einem besseren Verständnis von Sockeln bei und bringt die Wissenschaftler dem größeren Ziel näher, einen Fusionsreaktor zu entwickeln, der mehr Strom erzeugt als er verbraucht.

Plasmaform und Sockelmessungen

Parisis zweites Papier in der Serie wird untersucht, wie gut sich das EPED-Modell bei unterschiedlichen Plasmaformen an die Höhe und Breite des Sockels anpasst.

„Ihr Kernfusionsdruck und damit Ihre Leistung hängen sehr stark davon ab, wie hoch Ihr Sockel ist. Wenn wir also verschiedene Formen für zukünftige Fusionsgeräte untersuchen, wollen wir auf jeden Fall sicherstellen, dass unsere Vorhersagen stimmen“, sagte er.

Parisi begann mit alten Daten aus experimentellen Entladungen in NSTX und veränderte dann die Randform des Plasmas. Er fand heraus, dass die Veränderung der Form einen sehr großen Einfluss auf das Breite-Höhe-Verhältnis des Sockels hatte. Darüber hinaus fand Parisi heraus, dass einige Formen zu mehreren möglichen Sockeln führen könnten – insbesondere bei Tokamaks in der Form von NSTX und seinem derzeit modernisierten Nachfahren NSTX-U. Dies würde denjenigen, die eine Fusionsladung durchführen, die Wahl zwischen beispielsweise einem steilen oder flachen Sockel geben.

„Als die Leute diese Sockelmodelle entwickelten, versuchten sie, die Breite und Höhe des Sockels vorherzusagen, da diese die Menge der erzeugten Fusionsenergie stark verändern können, und wir wollen genau sein“, sagte Parisi. „Aber so, wie die Modelle derzeit konstruiert werden, berücksichtigen sie nur die Plasmastabilität.“

Heizung, Betankung und Podeste

Heizung und Brennstoff sind weitere wichtige Faktoren und solche, die Parisi drittes Papier erforscht. Insbesondere untersuchte Parisi bestimmte Sockel und ermittelte die erforderliche Heiz- und Brennstoffmenge, um eine bestimmte Plasmaform zu erreichen. Ein steiler Sockel erfordert beispielsweise typischerweise viel mehr Heizleistung als ein flacher Sockel.

Das Papier untersucht auch, wie sich eine Scherströmung, die entsteht, wenn sich benachbarte Partikel mit unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten bewegen, auf die Höhe und Breite des Sockels auswirken kann. Frühere Experimente in NSTX ergaben, dass der Sockel drei- bis viermal breiter wurde, wenn ein Teil der Innenseite des Gefäßes mit Lithium beschichtet war und die Strömungsscherung stark war, als wenn kein Lithium hinzugefügt wurde.

„Es scheint, als könne der Sockel weiter wachsen“, sagte Parisi. „Wenn man in einem Tokamak ein Plasma hätte, das nur aus Sockeln besteht, und wenn die Gradienten wirklich steil wären, würde man einen wirklich hohen Kerndruck und eine wirklich hohe Fusionsleistung erhalten.“

Das Verständnis der Variablen, die zur Erzeugung eines stabilen Hochleistungsplasmas erforderlich sind, bringt die Forscher ihrem ultimativen Ziel der Kommerzialisierung der Fusionsenergie näher.

„Diese drei Arbeiten sind wirklich wichtig für das Verständnis der Physik sphärischer Tokamaks und wie sich der Plasmadruck in dieser Struktur organisiert, wo er am Rand steil ansteigt und im Kern einen hohen Druck aufrechterhält. Wenn wir diesen Prozess nicht verstehen, können wir keine verlässlichen Prognosen für zukünftige Geräte abgeben, und diese Arbeit trägt wesentlich dazu bei, dieses Vertrauen zu erlangen“, sagte Jack Berkery, stellvertretender Forschungsleiter von NSTX-U und Co-Autor der Arbeiten.