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Plasma-Problem von Fusionsreaktoren gelöst

Wie sich zerstörerische Plasma-Instabilitäten bei ITER und Co vermeiden lassen

ASDEX
In Fusionsanlagen treten am Plasmarand Turbulenzen auf, die in kleinen Testreaktoren wie hier dem ASDEX Upgrade in Garching noch kein Problem sind, die aber in großen Fusionsreaktoren die Wände zerstören können. © MPI für Plasmaphysik

Wichtiger Fortschritt: Physiker könnten eines der großen Probleme künftiger Fusionsreaktoren gelöst haben. Sie haben herausgefunden, wie sich zerstörerische Turbulenzen am Rand des ultraheißen Plasmas vermeiden lassen – und damit gefährliche Wandschäden. Eine am Rand erhöhte Plasmadichte und eine spezielle Ausrichtung der Magnetfeldlinien machen die Plasma-Instabilitäten demnach zwar häufiger, aber viel schwächer und verhindern so die Schäden.

Fusionsreaktoren gelten als vielversprechende Energiequelle der Zukunft. Um aus der Kernfusion Strom zu erzeugen, muss jedoch das Plasma aus Wasserstoff, Deuterium oder Tritium auf mindestens 100 Millionen Grad erhitzt werden. Weil kein Material der Welt einer solchen Hitze standhält, muss das Fusionsplasma durch Magnetfelder eingegrenzt und von den Reaktorwänden ferngehalten werden. In Testreaktoren wie dem Joint European Torus (JET), dem zurzeit in Frankreich gebauten ITER und anderen alternativen Bautypen wird die Technologie dafür erforscht.

ITER
Modell des zurzeit in Frankreich gebauten europäischen Fusionsreaktors ITER. © Oak Ridge National Laboratory/ CC-by 2.0

Zerstörerische Teilchenausbrüche

Doch es gibt ein Problem: Im Randbereich des heißen, torusförmigen Fusionsplasmas kommt es immer wieder zu Instabilitäten – es entstehen Turbulenzen, bei denen energiereiche Teilchen aus dem Plasmatorus herausschießen und die Reaktorwand treffen. Solche sogenannten Edge Localised Modes (ELM) haben im Jet-Testreaktor bereits Wolframkacheln schmelzen lassen. In künftigen Fusionsreaktoren mit einem gezündeten, sich selbst erhaltenden Plasma wäre der zerstörerische Effekt noch tausendmal stärker.

„Diese ELMs vom Typ 1 sind in heutigen Testanlagen noch tolerierbar, stellen aber eine ernste Gefahr für die Wandkomponenten von größeren Fusionsreaktoren wie dem ITER oder künftigen Fusionskraftwerken wie DEMO dar“, erklären Georg Harrer von der TU Wien und dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching. Bisher gab es gegen diese Instabilitäten aber keine Maßnahmen, die bei den Großreaktoren ohne Weiteres umsetzbar wären.

„Perfekt von der Reaktorwand isolieren möchte man das Plasma auch nicht, schließlich muss neuer Brennstoff zugeführt und das bei der Fusion entstandene Helium abtransportiert werden“, erklärt Seniorautor Friedrich Aumayr der TU Wien.

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Viele kleine statt weniger großer

Eine Lösung für dieses Dilemma könnte das Physikerteam nun jedoch gefunden haben. Für ihre Studie hatten sie am Tokamak-Testreaktor ASDEX Upgrade in Garching genauer untersucht, welche Parameter die ELM-Instabilitäten beeinflussen. Ziel war es herauszufinden, wie sich die Randturbulenzen im Plasma so kontrollieren lassen, dass ihre Häufigkeit zwar zunimmt, die Intensität dafür aber abnimmt. Dadurch könnte man die zerstörerischen Teilchenausbrüche vermeiden.

„Es ist ein bisschen wie bei einem Kochtopf mit Deckel, in dem das Wasser zu kochen beginnt“, erklärt Harrer. „Wenn sich immer wieder Druck aufbaut, den Deckel hebt und der Dampf entweicht, dann wird der Deckel heftig klappern. Wenn man hingegen den Deckel leicht schräg stellt, dann kann kontinuierlich Dampf entkommen, aber der Deckel bleibt stabil und klappert nicht.“ Analog dazu sind die kontinuierlichen kleinen Teilchen-Ausbrüche in einem Fusionsreaktor zu kurz und schwach, um die Reaktorwand aufzuheizen – es „klappert“ nicht.

Bisher dachte man allerdings, dass sich solche schwachen, hochfrequenten ELM-Turbulenzen, auch Typ-II-ELM genannt, nur in kleineren Anlagen zeigen und hervorrufen lassen. „Mit neuen Experimenten und Simulationen konnten wir aber nun zeigen: Die Betriebsart kann auch in für Reaktoren vorgesehenen Parameterbereichen die gefährlichen Instabilitäten verhindern“, berichtet Harrers Kollegin Lidija Radovanovic.

Plasmadichte, -form und Magnetfeldlinien entscheidend

Konkret zeigte sich, dass dafür vor allem zwei Parameter ausschlaggebend sind. Der erste Faktor: Wenn man die Plasmadichte am Rand des Torus erhöht und das gesamte Plasma durch die Magnetspulen in eine eher dreieckige Form bringt, bremst dies den lokalen Plasmastrom. Das wiederum trägt dazu bei, den Anteil der kleinen, höherfrequenten Instabilitäten zu erhöhen.

Der zweite Faktor ist die Windung der magnetischen Feldlinien, die den Plasmastrom eingrenzen. In Tokamak-Fusionsanlagen wie dem JET, ITER oder ASDEX-Upgrade winden sich diese Feldlinien in einer komplexen Helixform um den Plasmaring. Die einzelnen Windungen können dabei in die gleiche Richtung wie der Dichtegradient des Plasmas verlaufen oder nicht. Wenn man den Anteil der gleichgerichteten Feldlinien durch Kreuzungen mit möglichst hoher Scherung erhöht, fördert dies die schwachen, harmloseren Turbulenzen, wie das Team ermittelte.

Übertragbar auf ITER und Co

Das Wesentliche an diesen Maßnahmen: Sie lassen sich nicht nur in kleinen Testanlagen umsetzen, sondern auch in Großreaktoren wie ITER oder künftigen Fusionskraftwerken wie DEMO. „Unsere Arbeiten stellen einen Durchbruch im Verständnis des Auftretens und der Verhinderung von großen Typ-I ELMs dar“, sagt Harrers Kollegin Elisabeth Wolfrum. „Die von uns vorgeschlagene Betriebsart ist wohl das vielversprechendste Szenario für Plasmen in künftigen Fusionskraftwerken.“ (Physical Review Letters, 2022; doi: 10.1103/PhysRevLett.129.165001)

Quelle: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, American Physical Society (APS)

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