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May 09, 2023

Fusionsenergie vorantreiben: Forscher erzielen Rekord

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Kernfusionsreaktionen erzeugen große Mengen an Energie. Ein Beispiel für die Kernfusion sind die Reaktionen im Sonnenkern. Die Nutzung der Fusionsenergie ist seit langem ein Ziel von Wissenschaftlern und Forschern, da sie keine Treibhausgasemissionen oder langlebigen radioaktiven Abfall verursacht.

Es gibt jedoch mehrere Engpässe bei der Erzeugung von Fusionsenergie, wie z. B. die Notwendigkeit hoher Temperaturen und Drücke, Plasmainstabilität, Kosten, Skalierbarkeit und die Suche nach einem Energiegleichgewicht.

Trotz dieser Herausforderungen wurden in der Fusionsenergieforschung erhebliche Fortschritte erzielt.

Tokamaks sind Geräte, die bei der Fusion mit magnetischem Einschluss verwendet werden. Bei diesen Reaktionen wird ein starkes Magnetfeld verwendet, um das heiße Plasma des Fusionsbrennstoffs im Reaktorkern zu kontrollieren und einzuschließen. Das Plasma wird durch Neutralstrahlinjektion oder Hochfrequenzerwärmung auf hohe Temperaturen erhitzt. Das Hauptziel besteht darin, einen stabilen Plasmazustand aufrechtzuerhalten, in dem die Fusionsreaktionen kontinuierlich ablaufen können und so eine unbegrenzte Energiequelle bereitgestellt wird.

Eine aktuelle Studie von Forschern des Oak Ridge National Laboratory (ORNL), des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) und von Tokamak Energy Ltd zeigt einen bedeutenden Durchbruch in der Fusionsenergieforschung. Das Team hat Temperaturen von fast 100 Millionen Grad Celsius erreicht, die für Fusionskraftwerke zur kommerziellen Energieerzeugung erforderlich sind.

Darüber hinaus erreichten sie in einem kompakten Tokamak hohe Temperaturen, was noch nie zuvor erreicht wurde!

In dieser Studie konzentrierten sich die Forscher auf die Verfeinerung der Betriebsbedingungen eines sphärischen Hochfeld-Tokamak-Geräts (ST) namens ST40. Im Vergleich zu anderen Fusionsgeräten zeichnet sich das ST40-Gerät durch seine geringere Größe und sein kugelförmiges Plasma aus.

Das Team verwendete einen ähnlichen Ansatz wie in den 1990er Jahren beim TFTR-Tokamak, der über 10 Millionen Watt Fusionsleistung erzeugte. ST40 wurde mit einem toroidalen (donutförmigen) Magnetfeld mit Werten etwas über 2 Tesla betrieben.

Das Team nutzte 1,8 Millionen Watt hochenergetischer Neutralteilchen, um das Plasma zu erhitzen. Obwohl die Plasmaentladung bzw. der Zeitraum, in dem die Fusionsreaktionen aktiv abliefen, nur 0,15 Sekunden dauerte, erreichten die Ionentemperaturen im Kern mehr als 100 Millionen Grad Celsius.

Das Team nutzte den am PPPL entwickelten TRANSP-Transportcode, um die Ionentemperaturen zu messen. Dieser Code ist hilfreich, da er die gemessenen Temperaturprofile der Verunreinigungen und des Deuteriums, dem in Fusionsreaktoren verwendeten Hauptbrennstoff, berücksichtigt.

Sie fanden heraus, dass der Temperaturbereich für die Verunreinigungen höher als 8,6 keV (ungefähr 100 Millionen Grad Celsius) lag, während der Temperaturbereich für Deuterium um diesen Wert herum lag. Dieser Befund legt nahe, dass die im Experiment verwendete Heizmethode effektiv die gewünschten hohen Temperaturen erreichte.

Die Ergebnisse stimmen optimistisch für die zukünftige Entwicklung von Fusionskraftwerken auf Basis kompakter kugelförmiger Hochfeld-Tokamaks. Diese Fortschritte könnten zu effizienteren und wirtschaftlicheren Fusionsenergielösungen führen und einen vielversprechenden Weg für eine nachhaltige und saubere Energieerzeugung bieten.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nuclear Fusion veröffentlicht.

Studienzusammenfassung:

Im kompakten sphärischen Hochfeld-Tokamak (ST) ST40 wurden Ionentemperaturen von über 100 Millionen Grad Kelvin (8,6 keV) erzeugt. Ionentemperaturen über 5 keV wurden bisher in keinem ST erreicht und konnten nur in viel größeren Geräten mit wesentlich höherer Plasmaheizleistung erreicht werden. Das entsprechende Fusionsdreifachprodukt wird mit ni0Ti0τE≈6±2 x 1018 m-3 keVs berechnet. Diese Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass in einem kompakten Hochfeld-ST relevante Ionentemperaturen für die kommerzielle Fusion mit magnetischem Einschluss erreicht werden können, und verheißen Gutes für Fusionskraftwerke, die auf dem Hochfeld-ST basieren.