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Die Erforschung von Fusionsenergie steht an einem Wendepunkt. Wissenschaftler am DIII-D National Fusion Facility haben eine neue Methode getestet, die vielversprechende Ergebnisse für die Entwicklung zukünftiger Fusionskraftwerke zeigt. Die Experimente konzentrierten sich auf eine Plasmakonfiguration, die als „negative Triangularität“ bekannt ist. Diese könnte eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung eines der größten Herausforderungen in der Fusionsforschung spielen: der effektiven Wärmeregulierung innerhalb des Reaktors. Die Ergebnisse dieser Experimente sind bemerkenswert, da sie die bisherige Annahme widerlegen, dass solche Plasmen weniger stabil als konventionelle Formen sein könnten.
Die Bedeutung der Formänderung
Tokamak-Geräte sind das Herzstück der Fusionsenergieforschung. Sie nutzen starke Magnetfelder, um Plasma zu formen und zu halten. Plasma ist ein Zustand der Materie, bei dem Atome auf extrem hohe Temperaturen erhitzt werden und sich in Ionen und Elektronen aufspalten. Das Ziel ist es, die Energie zu nutzen, die freigesetzt wird, wenn Atomkerne miteinander verschmelzen.
Damit ein Fusionskraftwerk wirtschaftlich ist, muss ein Tokamak gleichzeitig hohen Plasmadruck, Strom und Dichte erreichen und dabei die Wärme effektiv einschließen. Die negative Triangularität verändert die Querschnittsform des Plasmas von der konventionellen „D“-Form zu einer umgekehrten „D“-Form. In den DIII-D-Experimenten zeigte diese Form unerwartet niedrige Instabilitätsniveaus. Forscher konnten gleichzeitig hohen Druck, Dichte und Strom erreichen und beobachteten, dass die Wärmeisolation des Plasmas unter diesen Bedingungen sehr gut war.
Integration mit der Divertor-Ablösung
Ein bedeutendes Problem im Design von Tokamaks ist das Kern-Rand-Integrationsproblem. Dies bezeichnet die Schwierigkeit, einen ausreichend heißen Plasmakern für Fusionsreaktionen aufrechtzuerhalten, während der Plasmarand kühl genug bleibt, um Hitzeschäden an den Innenwänden des Geräts zu vermeiden.
Die Experimente zur negativen Triangularität boten eine potenzielle Lösung für dieses Problem. Erstmals erreichten Forscher mit einer negativen Triangularitätsform eine hohe Plasmakonfinierung in Verbindung mit der sogenannten „Divertor-Ablösung“. Diese Bedingung erzeugt eine kühlere Grenzschicht, die die Wärmemenge und die Elektronentemperatur an den Materialoberflächen reduziert. Dies wurde erreicht, während ein instabilitätsfreier Plasmarand aufrechterhalten wurde, was auf eine integrierte Lösung für Kern und Rand hindeutet.
Verbesserte Unterdrückung von Plasma-Instabilitäten
Die Forscher betonten in einer Pressemitteilung, dass „diese Merkmale das vielversprechende Potenzial der negativen Triangularität anzeigen und weitere Untersuchungen dieses Regimes für die Entwicklung als Fusionspilotpflanzendesign unterstützen“. Die Vorteile der negativen Triangularität umfassen eine bessere Unterdrückung von Plasma-Instabilitäten, die den Ausstoß von Teilchen und Energie verursachen. Dies kann auch dazu beitragen, Schäden an der Tokamak-Wand zu reduzieren, was in Fusionsreaktoren ein großes Anliegen ist.
Interessanterweise produzierte SMART (Small Aspect Ratio Tokamak), der weltweit einzige Fusionsreaktor mit „negativer Triangularität“, der an der Universität Sevilla in Spanien gebaut wurde, im Januar dieses Jahres sein erstes Plasma.
Ausblick auf die zukünftige Forschung
Die Wissenschaftler nutzen nun fortschrittliche Simulationswerkzeuge, um diese Divertor-Bedingungen genauer zu untersuchen. Diese Untersuchungen sollen helfen, die Ergebnisse sicher auf zukünftige Fusionskraftwerksdesigns zu übertragen. Die Möglichkeit, die Stabilität und Effizienz in Tokamaks durch die negative Triangularität zu verbessern, könnte einen bedeutenden Fortschritt in der Fusionsforschung darstellen und den Weg für kommerziell nutzbare Fusionsenergie ebnen.
Die DIII-D-Experimente haben gezeigt, dass die negative Triangularität eine vielversprechende Lösung für einige der größten Herausforderungen in der Fusionsforschung bietet. Die Fortsetzung dieser Forschung könnte entscheidend sein, um die Energiewende zu beschleunigen und eine nachhaltige Energiezukunft zu sichern.
Die Forschung zur Fusionsenergie steht vor einer aufregenden Zukunft. Welche weiteren Innovationen könnten die Entwicklungen in der Fusionsforschung vorantreiben und wie lange wird es dauern, bis diese Technologien in großem Maßstab eingesetzt werden können?
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