Forscher am Princeton Plasma Physics Laboratory des US-Energieministeriums nutzen die Leistungsfähigkeit von Computern, um die Leistung von Fusionsgeräten, sogenannten Stellaratoren, zu verbessern. In einem riesigen ringförmigen Gerät,Das Plasma, das um ein Vielfaches heißer ist als die Sonnenoberfläche, rotiert mit kraftvoller, kontrollierter Bewegung. Von außen sieht die Maschine aus wie ein Metallring, der von Gerüsten und Laufstegen umgeben ist. Aber im Inneren werden die extremen Bedingungen wiederhergestellt, die für die Kernfusion erforderlich sind – die Energiequelle für die Sonne und alle anderen Sterne.

Mit Unterstützung des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) arbeiten Forscher daran, unser Verständnis der Kernfusion zu vertiefen, mit dem langfristigen Ziel, sie zu einer brauchbaren kommerziellen Energiequelle zu entwickeln. Wissenschaftler des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums haben kürzlich erhebliche Fortschritte bei der Weiterentwicklung von Stellaratoren erzielt, einem vielversprechenden Fusionsgerät, das für seine Stabilität beim Einschließen von Plasmen bekannt ist.

Die Kernfusion hat das Potenzial, eine saubere, praktisch unbegrenzte Energiequelle bereitzustellen. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen entstehen bei der Kernfusion weder Treibhausgase noch langlebige radioaktive Abfälle. Bei der Kernfusion werden leichte Atomkerne (z. B. Wasserstoffkerne) erhitzt, bis sie ein Plasma (ein überhitztes, elektrisch geladenes Gas) bilden. Da Sterne aus Plasma bestehen, macht Plasma etwa 99 % des sichtbaren Universums aus.

Die größte Herausforderung besteht darin, dieses Plasma zu kontrollieren. Um Fusionsenergie praktisch nutzbar zu machen, müssen Wissenschaftler Geräte entwickeln, die stabile Fusionsreaktionen aufrechterhalten können. Durch die effektive Steuerung und Verwaltung von Hochtemperaturplasma ist die durch die Fusionsreaktion erzeugte Energie größer als die verbrauchte Energie.

Magnetische Einschlussgeräte: Tokamak und Stellar-Simulator

Fusionsforscher arbeiten an verschiedenen Techniken, darunter magnetischer und Trägheitseinschluss. Die beiden häufigsten magnetischen Einschlusskonfigurationen sind Tokamak und Stellarator. Beide nutzen sehr starke Magnetfelder, um das Plasma einzuschließen und es in Donutform zu halten.

Die ehemalige Doktorandin Alexandra LeViness legt ihre Hand auf einen Teil eines Stellarators, einer verdrehten Fusionsanlage. Bildquelle: Elle Starkman, PPPL

Ein Unterschied zwischen ihnen besteht in der Art und Weise, wie sie ihre Magnetfelder erzeugen. Der Tokamak verfügt über drei Sätze großer Magnetfeldspulen. Eine der Spulen erzeugt einen elektrischen Strom, der durch die Mitte des Plasmas fließt. Das durch diesen Strom erzeugte Magnetfeld verstärkt den Einschlusseffekt des Plasmas. Im Gegensatz dazu verfügen Stellaratoren über viele Magnetspulen, die das Plasma außen umgeben. Sie bilden ein verdrilltes Magnetfeld, das den Ring umgibt, sodass kein zentraler Strom erforderlich ist.

Stellaratoren haben gegenüber Tokamak einige wesentliche Vorteile. Sie benötigen weniger Strom, um die Fusionsreaktion aufrechtzuerhalten, sind flexibler im Design und es ist weniger wahrscheinlich, dass es zu Plasmaunterbrechungen kommt, die die Wände des Geräts beschädigen.

Allerdings haben Stellaratoren ein großes Problem: Sie können die Wärme des Plasmas nicht wie ein Tokamak speichern. Insbesondere Stellaratoren haben Schwierigkeiten, die energiereichsten Teilchen im Plasma einzuschließen. Viele dieser Teilchen müssen eingeschlossen werden, um die Fusionsreaktion aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus gilt: Je mehr energiereiche Teilchen verloren gehen, desto größer ist die Gefahr, dass sie die Wände des Geräts beschädigen. Da die symmetrische Form des Tokamaks um eine Achse das Einschließen von Partikeln erleichtert, besteht dieses Problem nicht. Wissenschaftler müssen dieses grundlegende Problem lösen, bevor Stellaratoren zu einem brauchbaren Design werden können.

Glücklicherweise haben Forscher von PPPL einige Lösungen für dieses Problem gefunden. Sie wussten, dass bestimmte Magnetfeldkonfigurationen dazu führten, dass sich eingefangene Partikel auf eine Weise verhielten, die den Einschluss erleichterte.

Jetzt müssen Wissenschaftler wissen, wie sie die Magnete so einstellen, dass sie die richtige Form des Magnetfelds erzeugen. Theoretisch wäre die beste Lösung, zu simulieren, wie sich jedes Teilchen in jedem Magnetfeld bewegt. Allerdings würde dies eine nahezu unbegrenzte Rechenleistung und Zeit erfordern. Das ist unpraktisch.

Stattdessen verwendeten PPPL-Forscher in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Auburn University, des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Deutschland und der University of Wisconsin-Madison einen alternativen Ansatz, der weitaus weniger Rechenleistung erforderte. Anstatt vorherzusagen, wie sich jedes Teilchen bewegen würde, entwickelten sie eine einfach zu berechnende Ersatzfunktion, die vorhersagt, wie schnell ein Teilchen ein Magnetfeld verlässt. Diese Zahl steht im Einklang mit dem Grad, in dem das Magnetfeld das Plasma einschließt. Mithilfe dieser Ersatzfunktion konnte das Team viele verschiedene mögliche Plasmakonfigurationen entwickeln, die weniger hochenergetische Teilchen verlieren würden.

Während andere Wissenschaftler diese Technik bereits zuvor verwendet haben, hatten sie sie noch nie auf diesen speziellen Stellaratortyp angewendet. Das Projekt verwendet Code, der vom Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums und PPPL entwickelt wurde.

Obwohl diese Konfigurationen nicht für ein bestimmtes Gerät konzipiert sind, werden sie den Wissenschaftlern helfen, voranzukommen und den einzuschlagenden Weg zu verstehen. Die Verwendung dieses Ansatzes könnte dazu beitragen, die Stellaratorforschung voranzutreiben. Letztlich könnte es Stellaratoren zu einer praktikablen Option für die kommerzielle Fusionsstromerzeugung machen.

Zusammengestellt von /ScitechDaily