Der Tokamak-Reaktor im Swiss Plasma Center. Alain Herzog/EPFL
Das größte Fusionsexperiment der Welt, ITER, kann möglicherweise mehr Energie freisetzen als bisher angenommen.
Das liegt daran, dass ein Team von Wissenschaftlern des Swiss Plasma Center, eines der weltweit führenden Forschungsinstitute für Kernfusion, eine Studie veröffentlicht hat, die ein grundlegendes Prinzip der Plasmaerzeugung aktualisiert, eine Presseerklärung enthüllt.
Ihre Forschung zeigt, dass der kommende ITER-Tokamak mit der doppelten Menge an Wasserstoff betrieben werden kann, von der angenommen wurde, dass er seine volle Kapazität hat, was bedeutet, dass er riesige Mengen mehr erzeugen könnte.Kernfusionsenergie als bisher gedacht.
Messlatte für Kernfusion höher legen
„Eine der Einschränkungen bei der Herstellung von Plasma in einem Tokamak ist die Menge an Wasserstoffbrennstoff, die man hineinspritzen kann“, erklärte Paolo Ricci vom Swiss Plasma Center am Eidgenössische Technische Hochschule Lausanne EPFL.
"Seit den Anfängen der Fusion wissen wir, dass, wenn man versucht, die Brennstoffdichte zu erhöhen, es irgendwann zu dem kommt, was wir eine 'Störung' nennen – im Grunde verliert man den Einschluss vollständig, und Plasma geht überall hin,“ fuhr Ricci fort. „Also haben die Leute in den Achtzigern versucht, eine Art Gesetz zu erfinden, das die maximale Wasserstoffdichte vorhersagen könnte, die man in einen Tokamak füllen kann.“
Im Jahr 1988 veröffentlichte der Fusionswissenschaftler Martin Greenwald ein berühmtes Gesetz, das die Brennstoffdichte mit dem kleineren Radius eines Tokamaks dem Radius des inneren Kreises des Kugelreaktors sowie dem Strom, der in dem im Tokamak aufrechterhaltenen Plasma fließt, korreliert. Das Gesetz, benanntdie "Greenwald-Grenze", wurde zu einem Grundprinzip der Kernfusionsforschung und leitete die Strategie hinter dem größten Fusionsexperiment der Welt, Europas ITER.
Nun, die neue Studie des EPFL-Teams, veröffentlicht in Physische Überprüfungsschreiben, hebt die Tatsache hervor, dass Greenwalds Grenze aus experimentellen Daten abgeleitet wurde.
"Greenwald hat das Gesetz empirisch abgeleitet, also vollständig aus experimentelle Daten – keine getestete Theorie oder das, was wir ‚erste Prinzipien‘ nennen würden“, erklärte Ricci. „Trotzdem funktionierte die Grenze ziemlich gut für die Forschung. Und in einigen Fällen, wie DEMO dem Nachfolger von ITER, stellt diese Gleichung dareine große Einschränkung für ihren Betrieb, da es besagt, dass die Kraftstoffdichte nicht über ein bestimmtes Niveau hinaus erhöht werden kann."
In Zusammenarbeit mit anderen internationalen Tokamak-Teams entwarf das EPFL-Team ein hochmodernes Experiment, das es ihnen ermöglichte, die in einen Tokamak eingespritzte Kraftstoffmenge genau zu messen. Die Untersuchung wurde am größten Tokamak der Welt durchgeführt: dem JointEuropean Torus JET im Vereinigten Königreich, ASDEX Upgrade in Deutschland Max-Plank-Institut und der EPFL-eigene TCV-Tokamak. Die gemeinsamen Experimente wurden vom EUROfusion-Konsortium koordiniert.
Während diese Experimente stattfanden, analysierte Maurizio Giacomin, ein Doktorand in Riccis Gruppe, die physikalischen Prozesse, die die Dichte in Tokamaks begrenzen, um ein Grundprinzip abzuleiten, das die Brennstoffdichte mit der Tokamakgröße korreliert. DazuSie mussten Simulationen durch einige der größten Computer der Welt laufen lassen, darunter einige vom CSCS, dem Swiss National Supercomputing Center.
„Was wir durch unsere Simulationen herausgefunden haben“, erklärte Ricci, „war, dass sich Teile davon von der äußeren kalten Schicht des Tokamaks, der Grenze, zurück in seinen Kern bewegen, wenn man dem Plasma mehr Brennstoff hinzufügt, weil diePlasma wird turbulenter."
Im Gegensatz zu einem Kupferdraht, der beim Erhitzen widerstandsfähiger wird, sagen die Forscher, dass Plasma beim Abkühlen widerstandsfähiger wird. Das bedeutet, je mehr Brennstoff Sie bei gleicher Temperatur hinzufügen, desto mehr davon kühlt abnach unten — wodurch der Stromfluss im Plasma erschwert wird.
Eine neue Gleichung für das Kraftstofflimit in einem Tokamak
Obwohl die Simulation von Turbulenzen im Plasma eine große Herausforderung war, konnten Ricci und sein Team dies tun, und sie schrieben auf der Grundlage ihrer Untersuchung eine neue Gleichung für das Kraftstofflimit in einem Tokamak. Laut den Forschern wird die neue Gleichung gerechtbis an Greenwalds Grenze, während es gleichzeitig wesentlich aktualisiert wird.
Entscheidend ist, dass die neue Gleichung besagt, dass die Greenwald-Grenze in Bezug auf den in ITER verwendeten Brennstoff auf fast das Doppelte ihres derzeitigen Werts angehoben werden kann, was bedeutet, dass fast das Doppelte des Brennstoffs ohne Unterbrechung verwendet werden kann.
ITER und andere globale Tokamak-Projekte zielen darauf ab, die Kraft der Kernfusion freizusetzen, die das Potenzial hat, nahezu grenzenlose Energie mit der gleichen Methode wie die Sonne und die Sterne. ITER wird voraussichtlich in Betrieb gehen mit Wasserstoffreaktionen mit geringer Leistung im Jahr 2025.