Zusammenfassung:
Forscher des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums haben eine neue Idee zur Erreichung der Kernfusion vorgeschlagen. Ihre neuesten Berechnungen zeigen, dass bei einer Änderung der Reihenfolge der Plasmaerwärmung und -komprimierung die für die „Zündung“ erforderliche Energie in künftigen Fusionsreaktoren deutlich reduziert werden könnte, was einen effizienteren Weg für die Entwicklung einer kontrollierbaren Kernfusion eröffnet.
Kernfusion gilt als eine der vielversprechendsten sauberen Energietechnologien der Zukunft. Sein Prinzip ist das gleiche wie der Prozess der Energieerzeugung im Inneren der Sonne. Indem Kerne leichter Elemente Fusionsreaktionen durchlaufen, können große Energiemengen nahezu ohne Treibhausgasemissionen freigesetzt werden. Es ist jedoch äußerst schwierig, die extremen Bedingungen im Inneren der Sonne auf der Erde zu reproduzieren, und Wissenschaftler suchen seit Jahrzehnten nach dem besten Weg, stabile Fusionsreaktionen zu erreichen.
Seit den 1950er Jahren stützt sich die Fusionsforschung hauptsächlich auf das „Lawson-Kriterium“, um die Bedingungen der Fusionszündung zu bewerten. Diese Theorie wird verwendet, um zu bestimmen, ob ein Plasma über einen ausreichend langen Zeitraum eine ausreichend hohe Temperatur und Dichte aufrechterhalten kann, um die Fusionsreaktion mit der selbst erzeugten Energie fortzusetzen, ohne dass eine externe Erwärmung erforderlich ist.
Das Lawson-Kriterium kann jedoch nur beschreiben, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, gibt aber nicht eindeutig an, wie diese Bedingungen mit höchster Effizienz erreicht werden können. Zu diesem Zweck fügte das PPPL-Forschungsteam dem traditionellen Rahmen vier zusätzliche Faktoren hinzu, darunter Heliumasche, die während des Fusionsprozesses entsteht, Verunreinigungen aus der Reaktorwand, Energieverlust durch Synchrotronstrahlung und Wärmeverlust aus dem Plasma, und erstellte so ein neues Modell, das näher an der realen Situation ist.
Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Forscher sagten, wenn diese realistischen Faktoren in die Berechnungen einbezogen würden, würden sich viele Designlösungen, die ursprünglich machbar schienen, erheblich ändern und daher einen wichtigen Referenzwert für das zukünftige Reaktordesign haben.
Plasma wird oft als der vierte Zustand der Materie bezeichnet. Wenn ein Gas auf extrem hohe Temperaturen erhitzt wird, laden sich die darin enthaltenen Teilchen auf und es entsteht ein Plasma. In einem Fusionsreaktionsgerät müssen Wissenschaftler das Plasma auf extreme Temperaturen erhitzen, damit die Kerne die elektrische Abstoßung untereinander überwinden und eine Fusionsreaktion eingehen können.
Das Forschungsteam verglich den Prozess der Fusionszündung mit dem Durchqueren eines durch Berge blockierten Geländes. Nach den Vorstellungen vieler bestehender Lösungen erhöhen Forscher oft zunächst die Plasmadichte und erhöhen dann die Temperatur weiter, was einem direkten Aufstieg über die Berge gleichkommt, um das Ziel zu erreichen. Neue Modelle deuten jedoch darauf hin, dass es möglicherweise tatsächlich einen weniger mühsamen Weg gibt.
Berechnungsergebnisse zeigen, dass das Erhitzen des Plasmas auf eine höhere Temperatur und die anschließende schrittweise Erhöhung seiner Dichte das gleiche Ziel bei geringerem Gesamtenergieverbrauch erreichen kann. Dieser Ansatz ist gleichbedeutend damit, den Berg zu umgehen und das Ziel von der Seite zu betreten, anstatt direkt die steilste Route zu erklimmen.
Die Forscher verwendeten mathematische Modelle, um den sogenannten „Cordey-Sattelpunkt“ zu finden, den Pfad mit der niedrigsten Energie, die zum Erreichen der Fusionszündung erforderlich ist. Die Ergebnisse zeigen, dass die Strategie „Zuerst aufheizen, dann die Dichte erhöhen“ zufällig in diesem optimalen Bereich liegt und voraussichtlich eine wichtige Designrichtung für zukünftige Fusionsgeräte werden wird.
Neben der Entdeckung neuer Zündwege gelangte das Forscherteam auch zu weiteren wichtigen Erkenntnissen. Modelle zeigen, dass selbst kleinste Mengen an Wolframverunreinigungen, die in das Plasma gelangen, die Fusionsreaktion erheblich beeinflussen oder sogar zum Scheitern bringen können. Da Wolfram eine extrem hohe Temperaturbeständigkeit aufweist, ist derzeit geplant, es als Innenwandmaterial vieler künftiger Fusionsreaktoren einzusetzen. Daher wird es eine der größten technischen Herausforderungen sein, zu verhindern, dass Wolfram in das Plasma eindringt.
Die Forscher entdeckten außerdem, dass es im Fusionsplasma bestimmte natürliche „Bremsmechanismen“ gibt, die eine weitere Verstärkung der Reaktion begrenzen. In Gesamtberechnungen wurden solche Effekte bisher nicht vollständig berücksichtigt, das neue Modell ist jedoch in der Lage, diese Einflussfaktoren besser abzubilden.
Obwohl sich diese Forschung noch im theoretischen und rechnerischen Stadium befindet und nicht direkt zu einem neuen experimentellen Durchbruch bei der Fusion führt, glauben Wissenschaftler, dass sie einen effizienteren Fahrplan für das zukünftige Reaktordesign bietet. Wenn die relevanten Schlussfolgerungen in tatsächlichen Geräten überprüft werden können, könnten die Kosten und Energieinvestitionen, die für die Kommerzialisierung der Fusionsenergie in der Zukunft erforderlich sind, erheblich reduziert werden, was das Ziel der Menschheit nach nahezu unbegrenzter sauberer Energie beschleunigt.
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