Wissenschaftler schlagen Lösung für lang rätselhaftes Fusionsproblem vor

Das Paradoxon erschreckte Wissenschaftler des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) vor mehr als einem Dutzend Jahren. Je mehr Wärme sie in einen kugelförmigen Tokamak strahlten, eine magnetische Einrichtung, die die Fusionsenergie reproduzieren sollte, die Sonne und Sterne antreibt, desto weniger stieg die zentrale Temperatur.

Großes Rätsel

„Normalerweise wird die Temperatur umso höher, je mehr Strahlleistung man einsetzt“, sagte Stephen Jardin, Leiter der Theorie- und Computerwissenschaftsgruppe, die die Berechnungen durchführte, und Hauptautor einer vorgeschlagenen Erklärung, die in veröffentlicht wurde Briefe zur körperlichen Überprüfung. „Das war also ein großes Rätsel: Warum passiert das?“

Die Lösung des Rätsels könnte zu den Bemühungen auf der ganzen Welt beitragen, die Fusion auf der Erde zu schaffen und zu kontrollieren, um eine praktisch unerschöpfliche Quelle sicherer, sauberer und kohlenstofffreier Energie zur Stromerzeugung zu erzeugen und gleichzeitig den Klimawandel zu bekämpfen. Fusion kombiniert leichte Elemente in Form von Plasma, um riesige Mengen an Energie freizusetzen.

Durch neueste hochauflösende Computersimulationen zeigten Jardin und Kollegen, was dazu führen kann, dass die Temperatur im Zentrum des Plasmas, das Fusionsreaktionen antreibt, flach bleibt oder sogar abnimmt, selbst wenn mehr Heizleistung eingestrahlt wird. Eine Erhöhung der Leistung erhöht auch den Druck das Plasma bis zu dem Punkt, an dem das Plasma instabil wird und die Plasmabewegung die Temperatur abflacht, fanden sie heraus.

„Diese Simulationen erklären wahrscheinlich eine experimentelle Beobachtung, die vor über 12 Jahren gemacht wurde“, sagte Jardin. „Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass bei der Planung und Durchführung von Kugel-Tokamak-Experimenten darauf geachtet werden muss, dass der Plasmadruck an bestimmten Stellen im Plasma bestimmte kritische Werte nicht überschreitet [facility]“, sagte er. „Und wir haben jetzt eine Möglichkeit, diese Werte durch Computersimulationen zu quantifizieren.“

Die Ergebnisse heben eine wichtige Hürde hervor, die Forscher vermeiden müssen, wenn sie versuchen, Fusionsreaktionen in kugelförmigen Tokamaks zu reproduzieren – Geräte, die eher wie entkernte Äpfel geformt sind als die häufiger verwendeten konventionellen Tokamaks in Donutform. Sphärische Geräte erzeugen kostengünstige Magnetfelder und sind Kandidaten, um Modelle für ein Pilot-Fusionskraftwerk zu werden.

Die Forscher simulierten frühere Experimente am National Spherical Torus Experiment (NSTX), der Flaggschiff-Fusionsanlage am PPPL, die inzwischen modernisiert wurde und bei der das rätselhafte Plasmaverhalten beobachtet wurde. Die Ergebnisse entsprachen weitgehend denen der NSTX-Experimente.

„Durch NSTX haben wir die Daten und durch ein DOE-Programm namens SciDAC erhalten [Scientific Discovery through Advanced Computing] Wir haben den von uns verwendeten Computercode entwickelt“, sagte Jardin.

Der Physiker und Co-Autor Nate Ferraro von PPPL sagte: „Das SciDAC-Programm war absolut maßgeblich an der Entwicklung des Codes beteiligt.“

Entdeckter Mechanismus

Der entdeckte Mechanismus verursachte an bestimmten Stellen einen erhöhten Druck, um die verschachtelten magnetischen Oberflächen aufzubrechen, die durch die Magnetfelder gebildet wurden, die sich um den Tokamak wickeln, um das Plasma einzuschließen. Das Aufbrechen flachte die Temperatur der Elektronen im Plasma ab und verhinderte dadurch, dass die Temperatur im Zentrum des heißen, geladenen Gases auf fusionsrelevante Werte ansteigt.

„Was wir jetzt denken, ist, dass Sie beim Erhöhen der injizierten Strahlleistung auch den Plasmadruck erhöhen und an einen bestimmten Punkt gelangen, an dem der Druck beginnt, die magnetischen Oberflächen nahe der Mitte des Tokamaks zu zerstören“, sagte Jardin, „ und deshalb steigt die Temperatur nicht mehr.“

Dieser Mechanismus könnte bei kugelförmigen Tokamaks allgemein vorkommen, sagte er, und die mögliche Zerstörung von Oberflächen muss berücksichtigt werden, wenn zukünftige kugelförmige Tokamaks geplant werden.

Jardin plant, den Prozess weiter zu untersuchen, um die Zerstörung magnetischer Oberflächen besser zu verstehen und warum sie bei sphärischen als bei herkömmlichen Tokamaks wahrscheinlicher erscheint. Er wurde auch eingeladen, seine Ergebnisse auf der Jahrestagung der American Physical Society-Division of Plasma Physics (APS-DPP) im Oktober vorzustellen, wo Nachwuchswissenschaftler rekrutiert werden könnten, um das Thema aufzugreifen und die Details der zu konkretisieren vorgeschlagenen Mechanismus.