Wissenschaftler haben eine der “größten Unsicherheiten” beim Betrieb zukünftiger Fusionsreaktoren überwunden.
Um das Fusionsplasma vor Verunreinigungen in den Reaktorwänden abzuschirmen, die die Effizienz der Energieerzeugung stark reduzieren, konnten die Forscher eine Umgebung schaffen, die die dünne Hitzebarriere um sie herum optimiert.
“Es kann nicht betont werden, wie wichtig es ist, dass das Plasma unter den richtigen Bedingungen in der Lage ist, spontan dieses Phänomen des ‘Screenings’ von Verunreinigungen zu zeigen”, sagte Anthony Field, leitender Wissenschaftler der in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Kernfusion im Januar, erzählt theaktuellenews.
Diese Entdeckung zeigt, wie Fusionsreaktionen unter den richtigen Bedingungen effizienter gemacht werden können, was für die Entwicklung zukünftiger großer Kernfusionsreaktoren wichtig sein wird, einschließlich des ITER-Reaktors, der der größte Fusionsreaktor seiner Art sein soll befindet sich derzeit in Frankreich im Bau.
Die Kernfusion ist eine Technologie, die Energie auf die gleiche Weise erzeugt wie die Sonne: Sie entsteht, wenn zwei Atome mit einer solchen Kraft zusammengestoßen werden, dass sie sich zu einem einzigen, größeren Atom verbinden und dabei riesige Mengen an Energie freisetzen.
Anders als bei der Kernspaltung – der Kernreaktion, die derzeit im Energiesektor eingesetzt wird – entsteht bei der Fusion kein radioaktiver Abfall. Es produziert drei- bis viermal mehr Energie als die Kernspaltung, wie vom US-Energieministerium geschätzt, und setzt kein Kohlendioxid in die Atmosphäre frei, wie die Verbrennung fossiler Brennstoffe. Darüber hinaus ist die Fusion ein sehr zerbrechlicher Prozess, der in Sekundenbruchteilen zum Erliegen kommt, wenn die richtigen Bedingungen nicht eingehalten werden. Daher besteht bei dieser Reaktion keine Gefahr einer Kernschmelze.
Es gibt jedoch ein Problem: Die Fusion erfordert Unmengen an Energie, um die erforderlichen Bedingungen zu erreichen, und wir haben es bisher nicht geschafft, wesentlich mehr Energie aus einer Fusionsreaktion herauszuholen, als wir hineingesteckt haben. Branchenübergreifend der Fokus ist daher darauf ausgerichtet, die Reaktion so stromlinienförmig und effizient wie möglich zu gestalten, um Abfall zu minimieren und Energiegewinne zu maximieren.
Der Durchbruch gelang Mitgliedern der Atomenergiebehörde des Vereinigten Königreichs (UKAEA) und des EUROfusion-Konsortiums, die in der Joint European Torus (JET)-Anlage in Oxfordshire auf dem Culham Campus der UKAEA arbeiteten.
Die Anlage verwendet eine Maschine namens Toroid-Tokamak, eine ringförmige Vorrichtung, die starke Magnete verwendet, um einen ringförmigen Fluss aus superheißem Plasma einzudämmen.
Plasma ist der nächste Aggregatzustand nach Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen. Es ist wie eine Flamme, aber viel heißer. Plasma wird bei superhohen Temperaturen gebildet und ist im Grunde eine Suppe aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Ionen von Elementen, die durch die extrem hohe Temperatur auseinandergezogen wurden.
Der Geschmack der Fusion, der in der JET-Anlage verwendet wird, besteht darin, Wasserstoffatome zusammenzuschlagen, bis sie verschmelzen (obwohl verschiedene Fusionsmethoden unterschiedliche Elemente in dieser Reaktion verwenden können).
Ihr normales Wasserstoffatom enthält ein positiv geladenes Teilchen, ein Proton genannt, und ein negativ geladenes Teilchen, ein Elektron. Wenn Wasserstoffatome in ein Plasma überhitzt werden, werden sie von ihren Elektronen getrennt und zu positiv geladenen Teilchen, sogenannten Ionen, die sich gegenseitig abstoßen.
In der Sonne erzeugen intensive Gravitationskräfte extrem hohe Drücke, die diese Abstoßung überwinden. Aber solch hohe Drücke sind auf der Erde fast unmöglich zu replizieren. Daher müssen wir das Plasma auf eine noch höhere Temperatur erhitzen – im Fall von JET auf zehnmal heißer als das Zentrum der Sonne – damit diese Teilchen tatsächlich verschmelzen.
Um diesen intensiven Temperaturen standzuhalten, müssen die Metalle, mit denen die Innenwände der Maschine ausgekleidet sind, einen unglaublich hohen Schmelzpunkt haben. Der Teil des Reaktors, der direkt mit dem Plasma in Kontakt kommt, wird als Divertor bezeichnet, was so etwas wie ein Abgassystem für die Reaktionskammer ist. Diese Komponente der Maschine muss den hohen Temperaturen des Fusionsplasmas am besten standhalten.
„Als Material für die Divertor-Targets wird Wolfram verwendet […] weil es mit 3.400 C den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle hat [6,152 F]“, sagte Field, leitender Physiker am UKAEA.
Wolfram hat jedoch seine eigenen Probleme, die von der UKAEA als seine „Achillesferse“ bezeichnet werden: Wenn das heiße Plasma mit den Wänden des Divertors interagieren kann, kann das Wolfram einige seiner Elektronen verlieren und vom Plasma mitgerissen werden.
Da Wolframatome so schwer sind – jedes Atom enthält 74 Protonen und 74 Elektronen – ist es sehr schwierig, alle ihre Elektronen abzureißen. Dies ist ein Problem, da die Elektronen, die an Wolfram gebunden bleiben, den Elektronen im Plasma Energie entziehen können, wodurch der Gesamtprozess viel schwieriger aufrechtzuerhalten ist. Und wenn es schwieriger aufrechtzuerhalten ist, beeinträchtigt es die Fähigkeit, eine ausreichende Menge an Energie aus der Reaktion herauszuholen, um die zugeführte Menge zu überwiegen.
„Wenn mehr als eine winzige Menge Wolfram im eingeschlossenen Plasma vorhanden ist, wird es unmöglich, es aufrechtzuerhalten [the reaction]“, sagte Field.
Dies kann vermieden werden, wenn um das Plasma herum eine Barriere erzeugt wird, die verhindern kann, dass die Wolframverunreinigungen überhaupt ins Innere gelangen.
Vor Jahrzehnten wurde die Hypothese aufgestellt, dass ein extremer Temperaturabfall zwischen dem Plasmakern und den Umlenkwänden als eine Art “Hitzebarriere” wirken könnte, um das Plasma vor dieser Art von Kontamination zu schützen. Nun haben Field und sein Team gezeigt, dass die Theorie in der Praxis tatsächlich funktioniert, an der Hitzebarriere, die sich um den Plasmarand bildet.
„Da dieses Verunreinigungs-Screening-Phänomen vorhergesagt, aber nie zuvor in einem tatsächlichen Tokamak am Plasmarand beobachtet wurde, war diese Entdeckung eine sehr aufregende Überraschung“, sagte Field.
„Diese Beobachtung zerstreut unsere Bedenken hinsichtlich einer der größten Ungewissheiten im Zusammenhang mit dem Betrieb eines zukünftigen Tokamak-Fusionsreaktors“, fügte er hinzu.
„Die Wärmebarriere ist eine dünne, isolierende Schicht aus stark geschertem Strom von etwa 2 bis 3 Zentimetern [roughly an inch] quer, die sich direkt innerhalb des Plasmarandes bildet. Der Mechanismus ist analog zu der Art und Weise, wie der ‚Jetstream‘ in der oberen Atmosphäre verhindert, dass Wirbel kälterer Luft aus den arktischen Regionen in die gemäßigten Zonen wandern und umgekehrt.“
Damit diese Wärmebarriere Verunreinigungen effektiv herausfiltern kann, muss es einen ausreichend großen Temperaturunterschied zwischen dem eingeschlossenen Plasma und dem Plasmarand geben, der laut Field “22 Millionen Grad Celsius über die Dicke eines dreifach verglasten Fensters entspricht!”
