Insider-Job: Eine neue Technik zur Kühlung eines Fusionsreaktors

Die Fusion bietet das Potenzial nahezu grenzenloser Energie, indem sie ein in einem Magnetfeld eingeschlossenes Gas auf unglaublich hohe Temperaturen erwärmt, bei denen Atome so energetisch sind, dass sie beim Zusammenstoß miteinander verschmelzen. Aber wenn dieses heiße Gas, das so genannte Plasma, aus dem Magnetfeld austritt, muss es sicher wieder eingesetzt werden, um eine Beschädigung der Schmelzvorrichtung zu vermeiden – dieses Problem war eine der großen Herausforderungen der magnetisch begrenzten Fusion.

Bei diesen sogenannten Störungen kann die schnelle Freisetzung der Energie im Plasma das Schmelzgerät schädigen: Intensive Hitze kann die Wände verdampfen oder schmelzen, große elektrische Ströme können schädliche Kräfte erzeugen, und hochenergetische „entflohene“ Elektronenstrahlen können intensive lokale Schäden verursachen.

Um Störungen weniger störend zu machen, wird Material in das Plasma eingespritzt, das die Plasmaenergie gleichmäßig abgibt. Eine Herausforderung besteht darin, dass das Material Schwierigkeiten hat, die Mitte des Plasmas zu erreichen, bevor eine Störung auftritt. Forscher hoffen, dass das Einbringen von Material in die Mitte eine „Inside-Out“-Kühlung des Plasmas ermöglichen kann, um die Störung und die Produktion von durchgehenden Elektronen zu verhindern.

Forscher der DIII-D National Fusion Facility haben eine revolutionäre neue Technik demonstriert, um diese „Innen-außen“-Kühlung zu erreichen, bevor eine Störung auftritt. Ein dünnwandiges diamantschalenförmiges Pellet trägt eine Nutzlast von Borstaub tief in das Plasma (Abbildung 1). Die Experimente zeigen, dass Muschelpellets, die bei etwa 450 Meilen pro Stunde in den Kern gebrannt werden, Borstaub tief im Plasma abscheiden können, wo er am effektivsten ist. Die Diamantschalen zerfallen allmählich im Plasma, bevor sie den Staub in der Nähe der Mitte des Plasmas freisetzen.

Der neue Ansatz verwandelt die Aussichten für die Fusionsenergie, indem er potenziell drei Hauptprobleme löst: die effiziente Abstrahlung der Wärme des Plasmas, die Reduzierung der Kräfte des Plasmas auf die Fusionsvorrichtung und die Verhinderung der Bildung von energiereichen Elektronenstrahlen.

Richard Buttery, Wissenschaftsdirektor der DIII-D, kommentiert: „Shell-Pellets bieten das Potenzial, alle drei Facetten der Herausforderung zu bewältigen und das Risiko von Geräteschäden zu vermeiden“.

Zukünftige Arbeiten zielen darauf ab, anspruchsvollere Hüllenkonstruktionen zu entwickeln, die größere Nutzlasten aufnehmen und Plasmen der Reaktorklasse durchdringen können.

Eine weitere Technik, die bei DIII-D erforscht wird, ist die so genannte Splittergranulatinjektion. Bei diesem Ansatz werden feste gefrorene Pellets aus einem schweren Isotop aus Wasserstoff und Neon oder Argon mit hoher Geschwindigkeit in Richtung Plasma gebrannt. Sie zerbrechen in kleine Fragmente, bevor sie auf die Kante des Plasmas treffen. Die Forscher führten Experimente durch und extrapolierten die Ergebnisse auf das große Fusionsgerät ITER, das in Frankreich entwickelt wird. Sie glauben, dass diese Technik im ITER wirksam sein wird.

„Der beste Weg, Störungen zuverlässig zu verhindern, bleibt eine offene Frage“, sagt der Forscher Nick Eidietis, der am DIII-D-Fusionsgerät in San Diego arbeitet und seine Forschungsergebnisse an der American Physical Society Division of Plasma Physics Meeting in Portland, Oregon, vorstellen wird. „Aber wir machen bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung des Verständnisses und der Techniken, die notwendig sind, um die Fusionskraft zu erreichen. Wenn diese neue Hüllentechnik ihr ursprüngliches Versprechen erfüllt, wird sie die Aussichten für einen zuverlässigen Betrieb von Fusionskraftwerken verändern.“

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