Ein grundlegendes neues Gesetz entfesselt die Fusionsenergie

Fusionsreaktor ITER

Illustration von wolkenartigem ionisiertem Plasma im ITER-Fusionsreaktor Tokamak. Bildnachweis: ITER

Physiker der EPFL haben im Rahmen einer großen europäischen Kollaboration eines der Grundgesetze überarbeitet, das die Grundlage dafür bildete[{” attribute=””>plasma and fusion research for over three decades, even governing the design of megaprojects like ITER. The update demonstrates that we can actually safely utilize more hydrogen fuel in fusion reactors, and therefore obtain more energy than previously thought.

Fusion is one of the most promising future energy sources . It involves two atomic nuclei merging into one, thereby releasing enormous amounts of energy. In fact, we experience fusion every day: the Sun’s warmth comes from hydrogen nuclei fusing into heavier helium atoms.

There is currently an international fusion research megaproject called ITER that seeks to replicate the fusion processes of the Sun to create energy on the Earth. Its goal is to generate high-temperature plasma that provides the right environment for fusion to occur, producing energy.

Plasmas — an ionized state of matter similar to a gas – are made up of positively charged nuclei and negatively charged electrons, and are almost a million times less dense than the air we breathe. Plasmas are created by subjecting “the fusion fuel” – hydrogen atoms – to extremely high temperatures (10 times that of the core of the Sun), forcing electrons to separate from their atomic nuclei. In a fusion reactor, the process takes place inside a donut-shaped (“toroidal”) structure called a “tokamak.”

Swiss Plasma Center Tokamak Thermonuclear Fusion Reactor

The tokamak thermonuclear fusion reactor at Swiss Plasma Center. Credit: Alain Herzog (EPFL)

“In order to create plasma for fusion, you have to consider three things: high temperature, high density of hydrogen fuel, and good confinement,” says Paolo Ricci at the Swiss Plasma Center, one of the world’s leading research institutes in fusion located at École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL).

Working within a large European collaboration, Ricci’s team has now released a study updating a foundational principle of plasma generation – and showing that the upcoming ITER tokamak can actually operate with twice the amount of hydrogen and therefore generate more fusion energy than previously thought.

“One of the limitations in making plasma inside a tokamak is the amount of hydrogen fuel you can inject into it,” says Ricci. “Since the early days of fusion, we’ve known that if you try to increase the fuel density, at some point there would be what we call a ‘disruption’ – basically you totally lose the confinement, and plasma goes wherever. So in the eighties, people were trying to come up with some kind of law that could predict the maximum density of hydrogen that you can put inside a tokamak.”

Eine Antwort kam 1988, als der Fusionswissenschaftler Martin Greenwald ein berühmtes Gesetz veröffentlichte, das die Brennstoffdichte mit dem kleineren Radius des Tokamaks (dem Radius des inneren Kreises des Donuts) und dem Strom, der im Plasma innerhalb des Tokamaks fließt, in Beziehung setzt. Seitdem ist die „Greenwald-Grenze“ ein Grundprinzip der Fusionsforschung; Tatsächlich basiert die Tokamak-Baustrategie von ITER darauf.

„Greenwald leitete das Gesetz empirisch ab, das heißt vollständig aus experimentellen Daten – keine geprüfte Theorie oder das, was wir „erste Prinzipien“ nennen würden“, erklärt Ricci. „Trotzdem hat die Grenze für die Forschung ziemlich gut funktioniert. Und in einigen Fällen, wie bei DEMO (dem Nachfolger von ITER), stellt diese Gleichung eine große Grenze für ihren Betrieb dar, da sie besagt, dass die Brennstoffdichte nicht über ein bestimmtes Niveau hinaus erhöht werden kann.“

In Zusammenarbeit mit anderen Tokamak-Teams entwarf das Swiss Plasma Center ein Experiment, bei dem es möglich war, hochentwickelte Technologie einzusetzen, um die in einen Tokamak eingespritzte Kraftstoffmenge präzise zu steuern. Die massiven Experimente wurden an den weltweit grössten Tokamaks, dem Joint European Torus (JET) in Grossbritannien, sowie dem ASDEX Upgrade in Deutschland (Max-Plank-Institut) und dem EPFL-eigenen TCV-Tokamak durchgeführt. Dieser große experimentelle Aufwand wurde durch das EUROfusion-Konsortium ermöglicht, die europäische Organisation, die die Fusionsforschung in Europa koordiniert und an der die EPFL nun über das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Deutschland beteiligt ist.

Gleichzeitig begann Maurizio Giacomin, ein Doktorand in Riccis Gruppe, die physikalischen Prozesse zu analysieren, die die Dichte in Tokamaks begrenzen, um ein First-Principle-Gesetz abzuleiten, das die Brennstoffdichte und die Tokamakgröße korrelieren kann. Ein Teil davon beinhaltete jedoch die Verwendung einer fortschrittlichen Simulation des Plasmas, die mit einem Computermodell durchgeführt wurde.

„Die Simulationen nutzen einige der größten Computer der Welt, wie sie vom CSCS, dem Swiss National Supercomputing Centre und von EUROfusion zur Verfügung gestellt werden“, sagt Ricci. „Und was wir durch unsere Simulationen herausgefunden haben, war, dass sich Teile davon von der äußeren kalten Schicht des Tokamaks, der Grenze, zurück in seinen Kern bewegen, wenn Sie dem Plasma mehr Brennstoff hinzufügen, weil das Plasma turbulenter wird. Anders als ein elektrischer Kupferdraht, der beim Erhitzen widerstandsfähiger wird, werden Plasmen beim Abkühlen widerstandsfähiger. Je mehr Brennstoff man also bei gleicher Temperatur einfüllt, desto mehr Teile davon kühlen ab – und desto schwieriger kann Strom im Plasma fließen, was möglicherweise zu einer Störung führt.“

Dies war schwierig zu simulieren. „Turbulenzen in einer Flüssigkeit sind eigentlich die wichtigste offene Frage der klassischen Physik“, sagt Ricci. „Aber Turbulenzen in einem Plasma sind noch komplizierter, weil es auch elektromagnetische Felder gibt.“

Am Ende waren Ricci und seine Kollegen in der Lage, den Code zu knacken und „Stift zu Papier“ zu bringen, um eine neue Gleichung für die Kraftstoffbegrenzung in einem Tokamak abzuleiten, die sehr gut mit Experimenten übereinstimmt. Veröffentlicht in der Zeitschrift Briefe zur körperlichen Überprüfung am 6. Mai 2022 wird es Greenwalds Grenze gerecht, indem es nahe daran ist, aktualisiert es jedoch in erheblicher Weise.

Die neue Gleichung geht davon aus, dass die Greenwald-Grenze in Bezug auf den Brennstoff in ITER fast um das Zweifache angehoben werden kann; Das bedeutet, dass Tokamaks wie ITER tatsächlich fast die doppelte Menge an Brennstoff verbrauchen können, um Plasmen zu erzeugen, ohne sich Sorgen um Störungen machen zu müssen. „Das ist wichtig, weil es zeigt, dass die Dichte, die man in einem Tokamak erreichen kann, mit der Leistung zunimmt, die man zum Betreiben braucht“, sagt Ricci. „Tatsächlich wird DEMO mit einer viel höheren Leistung arbeiten als die derzeitigen Tokamaks und ITER, was bedeutet, dass Sie im Gegensatz zum Greenwald-Gesetz mehr Brennstoffdichte hinzufügen können, ohne die Leistung zu begrenzen. Und das sind sehr gute Neuigkeiten.“

Referenz: „First-Principles Density Limit Scaling in Tokamaks Based on Edge Turbulent Transport and Implications for ITER“ von M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, dem ASDEX-Upgrade-Team, JET Contributors, und das TCV-Team, 6. Mai 2022, Briefe zur körperlichen Überprüfung.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.185003

Liste der Mitwirkenden

  • EPFL Swiss Plasma Center
  • Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
  • EPFL TCV-Team
  • ASDEX-Upgrade-Team
  • JET-Mitwirkende

Finanzierung: Konsortium EUROfusion (Euratom Forschungs- und Ausbildungsprogramm), Schweizerischer Nationalfonds (SNF)

Leave a Comment

Your email address will not be published.