Neue Lösung für eines der großen Probleme der Fusionsforschung

Damit Fusionsreaktoren funktionieren, müssen Plasmen auf mindestens einhundert Millionen Grad Celsius erhitzt werden. Magnetfelder schließen das Plasma ein, sodass die Wand des Reaktors nicht schmilzt. Das funktioniert nur, weil die äußersten Zentimeter im magnetisch geformten Plasmarand extrem gut isolieren. In diesem Bereich kommt es aber immer wieder zu Plasma-Instabi­li­täten. Dabei werden kurzzeitig energie­reiche Teilchen an die Reaktorwand geschossen, die dadurch beschädigt werden kann. Jetzt konnten Forscher vom MPI für Plasmaphysik in Garching und von der TU Wien zeigen: Es gibt einen Betriebs­modus für Fusions­reaktoren, der dieses Problem vermeidet: Statt großer, potenziell zerstöre­rischer Instabi­litäten, Edge Localised Modes (ELM) vom Typ I, nimmt man ganz bewusst viele kleine Instabi­litäten in Kauf, die für den Reaktor kein Problem darstellen.

„Unsere Arbeiten stellen einen Durchbruch im Verständnis des Auftretens und der Verhinderung von großen Typ-I ELMs dar“, sagt Elisabeth Wolfrum vom MP-IPP in Garching und der TU Wien. „Die von uns vorge­schlagene Betriebsart ist wohl das viel­ver­sprechendste Szenario für Plasmen in künftigen Fusions­kraft­werken.“

In einem torus­förmigen Tokamak-Fusions­reaktor bewegen sich die ultra­heißen Plasma­teilchen mit hoher Geschwindigkeit. Mächtige Magnet­spulen sorgen dafür, dass die Teilchen eingesperrt bleiben, anstatt mit zerstöre­rischer Wucht auf die Wand des Reaktors zu treffen. „Perfekt von der Reaktorwand isolieren möchte man das Plasma aber auch nicht, schließlich muss neuer Brennstoff zugeführt und das bei der Fusion entstandene Helium abtrans­portiert werden“, erklärt Friedrich Aumayr von der TU Wien.

Die Details der Dynamik im Inneren des Reaktors sind kompliziert: Die Bewegung der Teilchen hängt von Plasmadichte, Temperatur und Magnetfeld ab. Je nachdem, wie man diese Parameter wählt, sind unter­schied­liche Betriebsarten möglich. Eine jahrelange Zusammen­arbeit des MP-IPP und der TU Wien mündete nun in einen Betriebsmodus, der die besonders zerstöre­rischen Plasma­instabi­litäten vom Typ-I ELM verhindern kann.

Schon vor einigen Jahren zeigten die Experimente ein Rezept gegen die gefürchteten Typ-I ELMs: Das Plasma wird durch die Magnet­spulen leicht verformt, sodass sein Plasma­quer­schnitt nicht mehr elliptisch ist, sondern einem abgerundeten Dreieck ähnelt. Gleich­zeitig erhöht man speziell am Rand die Dichte des Plasmas. „Zunächst dachte man aber, das sei ein Szenario, das nur in den momentan laufenden kleineren Maschinen wie ASDEX Upgrade auftritt und für einen Reaktor irrelevant ist“, erklärt Lidija Radovanovic von der TU Wien. „Mit neuen Experi­menten und Simula­tionen konnten wir aber nun zeigen: Die Betriebsart kann auch in für Reaktoren vorge­sehenen Parameter­bereichen die gefähr­lichen Instabi­litäten verhindern.“

Durch die dreieckige Form des Plasmas und das gezielte Einblasen zusätz­licher Teilchen am Rand treten viele kleine Instabi­litäten auf – und zwar mehrere tausend Mal pro Sekunde. „Diese kleinen Teilchen-Bursts treffen die Wand des Reaktors schneller, als die sich aufheizen und wieder abkühlen kann“, erklärt Georg Harrer von der TU Wien. „Daher spielen diese einzelnen Instabi­litäten für die Reaktorwand keine große Rolle.“ Wie das Team durch detail­lierte Simulations­rechnungen zeigen konnte, verhindern diese Mini-Instabi­litäten aber die großen Instabi­litäten, die sonst Schaden anrichten würden.
„Es ist ein bisschen wie bei einem Kochtopf mit Deckel, in dem das Wasser zu kochen beginnt“, so Harrer. „Wenn sich immer wieder Druck aufbaut, den Deckel hebt und der Dampf entweicht, dann wird der Deckel heftig klappern. Wenn man hingegen den Deckel leicht schräg stellt, dann kann kontinuierlich Dampf entkommen, aber der Deckel bleibt stabil und klappert nicht.“

Diese Fusions­reaktor-Betriebsart lässt sich in unter­schied­lichen Reaktoren realisieren – nicht nur am ASDEX-Upgrade-Reaktor, sondern auch am derzeit in Bau befind­lichen ITER in Frankreich oder auch in künftigen Fusions­kraft­anlagen wie DEMO.

MP-IPP / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  G. F. Harrer et al.: A quasi-continuous exhaust scenario for a fusion reactor: the renaissance of small edge localized modes, Phys. Rev. Lett. 129, 165001 (2022); DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.165001
• Physik des Plasmarands (E. Wolfrum), Bereich Plasmarand und Wand, Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik, Garching
• Atomic and Plasma Physics (F. Aumayr), Institut für angewandte Physik, Technische Universität Wien, Österreich