Forschern in China ist ein bedeutender Fortschritt bei der Entwicklung der Fusionsenergie gelungen, indem sie erfolgreich eine seit langem geltende Dichtegrenze in Versuchsreaktoren überschreiten. Der Durchbruch am Experimental Advanced Supraconducting Tokamak (EAST) zeigt, dass die traditionellen Beschränkungen der Plasmadichte – ein entscheidender Faktor für die Fusionseffizienz – durch eine präzise Steuerung der Reaktorbedingungen umgangen werden können. Dies ist wichtig, da eine zunehmende Plasmadichte direkt mit einer höheren Energieausbeute verbunden ist, eine zentrale Herausforderung für die Rentabilität der Fusionsenergie.
Die Greenwald-Grenze und warum sie wichtig ist
Seit Jahrzehnten arbeiten Fusionsphysiker unter der sogenannten Greenwald-Grenze: einer praktischen Grenze, jenseits derer überhitztes Plasma dazu neigt, instabil zu werden und Reaktorkomponenten möglicherweise zu beschädigen. Dabei handelte es sich nicht um ein hartes Gesetz der Physik, sondern vielmehr um ein beobachtetes Phänomen, das vorgab, wie weit die Plasmadichte in einem Tokamak (einem donutförmigen magnetischen Einschlussgerät) gedrückt werden konnte, bevor es kollabierte.
Das Problem? Je mehr Atome im Plasma gepackt sind, desto mehr Fusionsreaktionen finden statt und desto höher ist die Energieausbeute. Doch mit zunehmender Dichte strahlt das Plasma Energie ab, kühlt an seiner Grenze ab und zieht Verunreinigungen aus den Reaktorwänden. Diese Verunreinigungen beschleunigen die Abkühlung und setzen in einer zerstörerischen Rückkopplungsschleife weitere Verunreinigungen frei, die den magnetischen Einschluss schwächen und die Reaktion abbrechen.
Das dichtefreie Regime: Ein neuer Ansatz
Jüngste theoretische Arbeiten schlugen einen Weg vor, diese Grenze zu umgehen: die Plasma-Wand-Wechselwirkungen während des Reaktorstarts zu kontrollieren, um die Ansammlung von Verunreinigungen zu verhindern. Ein Team unter der Leitung von Ping Zhu und Ning Yan testete diese Theorie bei EAST, indem es den Brenngasdruck sorgfältig anpasste und eine Elektronenzyklotronresonanzheizung anwendete.
Das Ergebnis? Sie erreichten Plasmadichten 65 % über dem Greenwald-Grenzwert, indem sie den Eintritt von Wandverunreinigungen in das Plasma drastisch reduzierten. Dies ist keine vollständige Abschaffung der Dichtegrenzen, aber es beweist, dass die traditionelle Barriere nicht absolut ist.
Implikationen für zukünftige Fusionsreaktoren
Diese Erkenntnis legt nahe, dass Fusionsreaktoren effizienter ausgelegt und betrieben werden können als bisher angenommen. Durch die Optimierung betrieblicher Prozesse können zukünftige Geräte möglicherweise Reaktionen mit höherer Dichte und höherer Energie aufrechterhalten. Die Forscher verfeinern ihre Methoden weiter, um zu sehen, wie sich EAST unter diesen verbesserten Bedingungen verhält.
„Die Ergebnisse deuten auf einen praktischen und skalierbaren Weg zur Erweiterung der Dichtegrenzen in Tokamaks und brennenden Plasmafusionsgeräten der nächsten Generation hin“, sagt Zhu.
Dieser Durchbruch ist bedeutsam, weil er ein wichtiges Hindernis auf dem Weg zu nachhaltiger Fusionsenergie beseitigt und uns einer sauberen, nahezu unbegrenzten Energiequelle näher bringt.
