Durchbruch in der Forschung zum Fusionsprozess: Wissenschaftler des Princeton Plasma Physics Laboratory entschlüsseln das Rätsel des Divertors
Wissenschaftler des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) haben bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung stabiler Fusionsreaktoren erzielt, indem sie ein langjähriges Rätsel gelöst haben, das Forscher vor große Herausforderungen stellte.
Die Forscher des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) haben bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung stabiler Fusionsreaktoren erzielt, indem sie ein langjähriges Rätsel gelöst haben, das Forscher vor große Herausforderungen stellte. Dieses Problem betrifft die ungleichmäßige Verteilung von Partikeln innerhalb von Tokamaks – speziellen torusförmigen Geräten, in denen magnetische Felder überhitzte Plasma halten. Dieser Prozess versucht, die Bedingungen nachzubilden, die im Inneren von Sternen herrschen, wo Fusionsreaktionen enorme Energiemengen erzeugen.
Die Hauptproblematik, mit der die Forscher konfrontiert waren, betraf das Abluftsystem, das als Divertor bekannt ist. Wenn Partikel den heißen Kern des Reaktors verlassen, prallen sie auf metallische Platten des Divertors, wo sie abgekühlt werden und in den Kreislauf zurückkehren. Experimente zeigten jedoch ständig ein merkwürdiges Ungleichgewicht: Auf das innere Ziel des Divertors trafen erheblich mehr Partikel als auf das äußere. Dieses Phänomen blieb unerklärlich, und kein wissenschaftliches Modell konnte genau erklären, warum dies geschah, was große Schwierigkeiten für Ingenieure verursachte, die versuchten, robuste industrielle Reaktoren zu entwerfen.
Früher wurde angenommen, dass die Ursache für dieses Ungleichgewicht der sogenannte Querdrift ist – die seitliche Bewegung von Partikeln, die senkrecht zu den Linien des magnetischen Feldes verläuft. Allerdings stimmten die Simulationen dieses Effekts nicht mit den tatsächlichen Messungen überein. In einer neuen Studie, die im Journal Physical Review Letters veröffentlicht wurde, bewiesen die Physiker, dass der "geheime Bestandteil" die toroidale Rotation des Plasmas um die Achse des Reaktors ist.
Um ihre Hypothesen zu bestätigen, verwendeten die Wissenschaftler einen spezialisierten Softwarecode namens SOLPS-ITER. Mit dessen Hilfe modellierte das Team das Verhalten des Plasmas im Tokamak DIII-D, der sich in Kalifornien befindet. Sie testeten vier Szenarien, in denen sie den Einfluss von Querdrift und Rotation abwechselten. Die Ergebnisse waren sensationell: Das Modell stimmte nur dann perfekt mit der Realität überein, wenn die gemessene Rotationsgeschwindigkeit des Kerns, die beeindruckende 88,4 Kilometer pro Sekunde beträgt, in die Berechnungen einfloss.
„Im Plasma gibt es zwei Komponenten des Flusses: Querdrift und paralleler Fluss entlang der Linien des magnetischen Feldes, die durch die Rotation des Kerns verursacht werden“, erklärt der Hauptautor der Studie, Eric Emdi. Es stellte sich heraus, dass die Rotation des Kerns ebenso wichtig für die Schaffung der Asymmetrie ist wie die seitliche Bewegung der Partikel. Zusammen erzeugen diese beiden Faktoren einen viel stärkeren Effekt als jeder für sich allein.
Diese Entdeckung ist von entscheidender Bedeutung für die Ingenieurtechnik der Zukunft. Jetzt können Konstrukteure genau vorhersagen, in welche Richtung der Hauptstrom von Wärme und Partikeln des Abgasstroms geleitet wird. Präzise Vorhersagen ermöglichen die Entwicklung von Divertoren, die extremen Belastungen über längere Zeiträume standhalten können. Dies bringt die Menschheit näher an die Schaffung zuverlässiger Fusionskraftwerke, die die Welt mit praktisch unbegrenzter und sauberer Energie versorgen können.