Brechen Sie den Weltrekord! Chinas „künstliche Sonne“ hat einen großen Durchbruch erzielt!

Die „künstliche Sonne“, auch als „Tokamak“-Gerät bekannt, ist ein von Menschen gesteuertes Gerät zur Erforschung der Kernfusion, das durch die Simulation einer Reihe von Reaktionen entsteht, die in der Sonne während ihres Leucht- und Wärmeerzeugungsprozesses auftreten. Es handelt sich um eine der zukünftigen Anwendungsrichtungen der kontrollierten Kernfusionstechnologie.

Die „künstliche Sonne“ ist nicht nur sauber und effizient, sondern kann die Reaktion auch sofort spontan stoppen, wenn ein Unfall passiert, da die Bedingungen, die zur Aufrechterhaltung der Reaktion erforderlich sind, sehr hart sind.

Allerdings ist es schwierig, die Fusionsreaktion stabil ablaufen zu lassen, was hohe Anforderungen an die Plasmasteuerungstechnologie stellt. Vor kurzem haben chinesische Wissenschaftler einen kleinen Schritt zur Lösung dieses Problems gemacht.

Das „High-Constraint-Modell“ des Institute of Western Physics

Das Southwest Institute of Physics der China National Nuclear Corporation (im Folgenden „SWIP“ genannt) gab bekannt, dass das Tokamak-Gerät „China Loop 3“ (HL-2M) am 25. August erstmals einen Betrieb im Hocheinschlussmodus bei einem Plasmastrom von 1 Million Ampere erreicht habe.

Dieser Durchbruch ist ein Spiegelbild der umfassenden Leistungsfähigkeit der Kernfusionsanlage und ein wichtiger Meilenstein im Entwicklungsprozess der Kernfusionsenergie meines Landes. Anfang November 2022 gab das Institute of West China Physics bekannt, dass der Plasmastrom des HL-2M erstmals 1 Million Ampere überschritten habe. Welche Bedeutung hat der diesmal erreichte „High-Constraint-Mode-Betrieb“?

Der Hocheinschlussmodus ist ein fortschrittlicher Reaktorbetriebsmodus, der erstmals 1982 vom deutschen Wissenschaftler Friedrich Wagner vorgeschlagen wurde.

Im Vergleich zu einigen früheren Betriebsarten kann der Hocheinschlussmodus die Dichte und Energiespeicherung des Plasmas beim Erhitzen des Plasmas zum Erreichen von Fusionsbedingungen erheblich steigern, wodurch die Effizienz der Fusionsreaktion um ein Vielfaches erhöht wird. Die Entdeckung des Hocheinschlussmodus hat unmittelbare Auswirkungen darauf, dass sich dadurch die Größe von Fusionsreaktoren verringern und Baukosten einsparen lassen. Dies ist auch der Standardbetriebsmodus, der für den im Bau befindlichen Internationalen Thermonuklearen Versuchsreaktor (ITER) gewählt wird.

ITER im Bau (fotografiert im Jahr 2018)

Bildquelle: Wikipedia

Zukünftige Kernfusionsreaktoren müssen im Hocheinschlussmodus bei Stromstärken im Millionenbereich von Ampere stabil arbeiten. Um die Anwendung von Kernfusionsreaktionen zu realisieren, muss insbesondere die durch die Reaktion erzeugte Energie größer sein als die verbrauchte Energie und es muss genügend Energie vorhanden sein, um die Reaktion stabil aufrechtzuerhalten. Diese Beurteilungskriterien werden als „Lawson-Kriterium“ bezeichnet.

Der Erfolg dieses Experiments bedeutet, dass wir der Erfüllung des Lawson-Kriteriums einen Schritt näher gekommen sind. Um dieses Kunststück zu vollbringen, „musste (das Forschungsteam) in diesem Jahr drei wichtige technische Herausforderungen bewältigen, darunter die Steuerung des Betriebs im Hocheinschlussmodus bei hohem Strom, die Injektionskopplung von Hochleistungsheizsystemen und eine erweiterte Steuerung der Divertorkonfiguration.“ Li Bo, Direktor und assoziierter Forscher des Forschungslabors für Kontroll- und Informationstechnologie des Institute of Western Physics, stellte dies in einem Interview mit der Nachrichtenagentur Xinhua vor.

Zukünftige Forschungsrichtungen

Das Institute of West China Physics plant, die Parameter im Hocheinschlussmodus weiter zu verbessern, beispielsweise durch eine Erhöhung der Plasmatemperatur auf 100 Millionen Grad Celsius. Zukünftig wird HL-2M zudem die Plasmastromkapazität auf über 2,5 Millionen Ampere steigern.

Aktuelle Aufnahmen des HL-2M-Plasmabetriebs mit 1 Million Ampere

Bildquelle: Xinhuanet

Das Lawson-Kriterium hängt hauptsächlich von drei Kernparametern ab: der Ionentemperatur des Brennstoffs, der Plasmadichte und der Energieeinschlusszeit.

Wissenschaftler versuchen, diese Indikatoren Schritt für Schritt zu verbessern und so dem Ziel, Anwendungen der kontrollierten Kernfusion zu erreichen, näher zu kommen. In Bezug auf die Betriebszeit stellte das vollständig supraleitende Tokamak-Kernfusionsexperimentgerät EAST (Eastern Super Ring) im April dieses Jahres einen Weltrekord auf, indem es 403 Sekunden lang einen stationären Plasmabetrieb im Hocheinschlussmodus erreichte.

In der Menschheitsgeschichte hat die Kernfusionsforschung mehr als hundert Jahre gedauert. In den letzten 20 Jahren, mit der Fertigstellung großer Versuchsanlagen wie HL-2M, streben Wissenschaftler ständig nach neuen Zielen und haben sich verpflichtet, die Energienutzung bis 2050 zu erreichen.

Verweise

[1] Xinhuanet. Zu Besuch bei der neuen Generation künstlicher Sonne „China Circulation 3“ [EB/OL]. http://www.news.cn/tech/20230901/f90cd937d9984314b9baa4c8221db374/c.html. 01.09.2023/06.09.2023.

[2] Dong Jiaqi. Tokamak-Betriebsmodus mit hoher Einschlussdichte und magnetischer Einschlusskontrolle der Kernfusion[J]. Physik, 2010, 39(06): 400-405.

[3] Duan Xuru. Tägliche Wissenschaft und Technologie. Verbesserung des Dreifachprodukts, um die kontrollierte Kernfusion Wirklichkeit werden zu lassen [EB/OL]. http://www.news.cn/science/2022-11/08/c_1310674449.htm.2022-11-08/2023-09-06.

[4] Chinesische Nationale Nukleargesellschaft. Großer Durchbruch! mein Land verfügt über fortschrittliche Steuerungstechnologie für die kontrollierte Kernfusion mit hoher Einschlussdichte [EB/OL]. https://www.cnnc.com.cn/cnnc/xwzx65/ttyw01/1365133/index.html.2023-08-28/2023-09-06.

Planung und Produktion

Quelle: Öffentliches WeChat-Konto der „Voice of Science and Technology Association“

Autor: Qi Yiyin, ein populärwissenschaftlicher Autor

Herausgeber: Jin Yufen