403 Sekunden! Chinas neuer Durchbruch in der „künstlichen Sonne“! Wie weit sind wir von der kontrollierten Kernfusion entfernt?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Teng (Institut für Plasmaphysik, Hefei Institutes of Physical Science, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Am Abend des 12. April 2023 erreichte Chinas „künstliche Sonne“ EAST erfolgreich 403 Sekunden stationäres Plasma im Hocheinschlussbetrieb (H-Modus) und stellte damit einen neuen Rekord für die längste Betriebszeit im H-Modus auf, nachdem im Jahr 2017 bereits 101 Sekunden stationäres H-Modus-Plasma erreicht worden waren.

Was ist H-Mode-Plasma? Was ist der Sinn? Mitglieder des wissenschaftlichen Forschungsteams von EAST werden es Ihnen sagen.

(Fotoquelle: Nachrichtenagentur Xinhua)

Kernpunkte der kontrollierten Kernfusionsforschung

Um Kernfusionsreaktionen zu erreichen, müssen Deuterium- und Tritiumkerne auf eine sehr kleine Kernkraftskala komprimiert werden. Da die Kerne jedoch positiv geladen sind, müssen sie extrem hohe Temperaturen aufweisen, um genügend Energie zum Überwinden der Coulomb-Barriere zwischen ihnen zu erhalten. Wenn die Temperatur etwa 100 Millionen Grad Celsius erreicht, ist der Querschnitt der Deuterium- und Tritiumkerne, die Fusionsreaktionen durchlaufen, am größten. Allerdings kann kein greifbarer Behälter ein derart heißes Plasma einschließen. Die von EAST vertretenen Tokamak-Geräte nutzen ein kreisförmiges spiralförmiges Magnetfeld, um Hochtemperaturplasma einzuschließen und kontrollierte Kernfusionsreaktionen zu erreichen.

Magnetfeldkonfiguration eines Tokamak-Geräts

(Bildquelle: Institut für Plasmaphysik)

Der Schlüssel zur Forschung an kontrollierter Kernfusion besteht daher darin, erstens die Temperatur (T) und Dichte (n) des Plasmas so weit wie möglich zu erhöhen, um die Effizienz der Fusionsreaktion pro Volumeneinheit und Zeiteinheit zu verbessern; Zweitens geht es darum, das Hochtemperatur-Plasma mit hoher Dichte ausreichend lange in einem begrenzten Raum einzuschließen, um den Energieverlust zu verlangsamen und die Effizienz der Fusionsreaktion weiter zu verbessern. Diese Einschlussleistung wird im Allgemeinen anhand der Energieeinschlusszeit ( τ****E ) gemessen.

Drei Elemente zur Erzielung einer Fusionsreaktion

(Bildquelle: Institut für Plasmaphysik)

Nach dem Lawson-Kriterium kann nur die Fusion dreier Produkte eine effektive Fusionsleistung erzeugen. Unter klassischen Umständen erhöht sich die Energieeinschlusszeit des H-Modus-Plasmas um etwa das Zweifache, während sich Temperatur und Dichte des Plasmas ebenfalls entsprechend erhöhen und das Dreifachfusionsprodukt erheblich verbessert wird. Daher verwendet der Internationale Thermonukleare Versuchsreaktor (ITER) die Kalibrierung der Energieeinschlusszeit im H-Modus als Grundlage für die Reaktorkonstruktion.

Entdeckung und Merkmale des Betriebsmodus mit hohen Einschränkungen

Die Gleichgewichtskonfiguration des Tokamak-Plasmas muss durch einen toroidalen induzierten Strom aufrechterhalten werden, der auch eine ohmsche Erwärmung des Plasmas bewirkt. Frühe Tokamak-Geräte verließen sich hauptsächlich auf ohmsche Heizung, um den Betriebsmodus einzuschränken. Theoretische und experimentelle Studien haben jedoch gezeigt, dass es ohne die Entwicklung sehr starker Magnete (größer als 20 Tesla) unmöglich ist, allein durch ohmsche Erwärmung die Voraussetzungen für die Fusionszündung zu schaffen.

Die Fusionszündung erfordert eine weitere Verbesserung der Plasmaenergie. Zur Zusatzheizung können hochenergetische Neutralteilchenstrahlen und Radiofrequenzwellen eingesetzt werden. Die Gesamtheizleistung ist in der Regel um ein Vielfaches höher als die ohmsche Heizleistung. Experimente haben jedoch ergeben, dass unter gegebenen Betriebsbedingungen die Energiebeschränkungszeit mit zunehmender Heizleistung abnimmt. Dieser Betriebsmodus mit Einschränkungen wird als Betriebsmodus mit geringen Einschränkungen (L-Modus) bezeichnet. Wenn der Reaktor gemäß der L-Modus-Energiebeschränkungs-Zeitkalibrierung entworfen und betrieben wird, wird das Gerät sehr groß, was schwierig zu implementieren und im Hinblick auf die wirtschaftliche Machbarkeit nicht akzeptabel ist.

Im Jahr 1982 entdeckte der deutsche Physiker Friedrich Wagner zufällig den H-Modus am Tokamak-Gerät ASDEX, d. h. die Energieeinschlusszeit bei Hochleistungsheizung ist im Wesentlichen doppelt so lang wie im vorherigen Zustand mit geringer Einschlusszeit. Dieses äußerst wichtige Ereignis war für die damalige Gemeinschaft der kontrollierten Kernfusion eine große Ermutigung. Als die Nachricht die Vereinigten Staaten erreichte, sprangen einige Leute sogar aufgeregt auf den Tisch.

Bei gleicher Heizleistung steigen die Dichte und die vertikale Komponente des Poloidaldrucks des H-Modus-Plasmas auf etwa das Doppelte des L-Modus-Plasmas.

(Bildnachweis: Tokamaks)

Im Betriebsmodus mit hoher Einschlussdichte nehmen mit der Zeit die Dichte und Energiespeicherung des Plasmas zu, wenn zusätzliche Heizleistung zugeführt wird, und das Strahlungssignal der Alphalinie von Wasserstoff (Deuterium) nimmt ab. Gleichzeitig weisen die Dichte- und Temperaturgradienten des Plasmas an der Grenze eine steile, stufenförmige Struktur auf, die von starken Spike-Schwingungen im α-Linien-Strahlungssignal an der Grenze begleitet wird. Diese signifikanten Merkmale des H-Modus weisen darauf hin, dass die Anzahl der Partikel und der Leistungsverlust des Plasmas an die Wände reduziert werden, was zu einer besseren Plasmaeinschlussleistung führt.

Die von ASDEX gemessenen Änderungen der radialen Dichteverteilung zu fünf verschiedenen Zeitpunkten vor und nach dem LH-Übergang zeigen, dass der H-Modus eine deutliche Stufenbildung in der Dichteverteilung aufweist.

(Bildnachweis: Tokamaks)

Hinter den Erfolgen steht die harte Kernstärke des Operationsteams

Eine notwendige Voraussetzung für die Bildung des H-Modus ist, dass die Zusatzheizleistung größer als ein bestimmter kritischer Wert, die sogenannte Schwellenleistung, sein muss. Diese Schwellenleistung hängt eng mit den Parametern und dem Betriebszustand des Geräts sowie den Parametern und der Qualität des Plasmas zusammen.

Zunächst einmal stellt die Realisierung des H-Modus hohe Anforderungen an die Kontrolle von Verunreinigungen (d. h. Substanzen, die nicht aus Wasserstoff bestehen) im Plasma. Garantie hierfür ist das komplette Vakuumsystem und die Wandbehandlungstechnik von EAST. Durch die langfristige Entladungsreinigung der Gerätewand wird die Rückführungsrate von Grenzpartikeln nach dem Auftreffen auf die Gerätewand auf ein sehr niedriges Niveau reduziert, wodurch die zerstäubten Verunreinigungen minimiert und das Plasma rein gehalten wird. Gleichzeitig wird durch die fortschrittliche Plasmasteuerungstechnologie von EAST die Wechselwirkung zwischen Plasma und Gefäßwand sowie anderen Komponenten minimiert, um die Zunahme von Verunreinigungen weiter zu kontrollieren.

EAST Vakuum- und Wandbehandlungssystem

(Bildquelle: Institut für Plasmaphysik)

Zweitens zeigt die Schwellenleistung unter denselben Versuchsbedingungen mit zunehmender Plasmadichte zunächst die Tendenz, abzunehmen und dann wieder zuzunehmen. Daher gibt es eine optimale Dichte, bei der die zum Erreichen des H-Modus erforderliche zusätzliche Heizleistung minimal ist, was für die Realisierung des stationären H-Modus mit langen Pulsen von entscheidender Bedeutung ist. Mit Fokus auf dieses Ziel kombinierte das EAST-Betriebsteam theoretische Analysen mit experimenteller Forschung, um den optimalen Parameterbereich und die Gerätebetriebsfähigkeiten innerhalb eines sicheren Bereichs zu finden. Gleichzeitig ist eine gute Kontrolle der Plasmadichte eine wichtige Voraussetzung für das Erreichen des Ziels.

EAST erreichte 403 Sekunden stationäres H-Modus-Plasma. Von oben nach unten: Dichte, H-Faktor und Energiespeicherung, spezifischer Druck, Heizleistung, untere Divertortemperatur

(Bildquelle: Institut für Plasmaphysik)

Darüber hinaus bieten die Langpulsbetriebsfähigkeit des Zusatzheizsystems von EAST, die präzise elektromagnetische Messung und Plasmasteuerung, die fortschrittliche Plasmadiagnostik und viele andere Technologien starke Garantien. Es ist ersichtlich, dass die Realisierung von 403 Sekunden stationärem H-Modus-Plasma das umfassende Niveau und die effizienten Fähigkeiten des EAST-Operationsteams voll und ganz demonstriert.

Standheizung EAST

(Bildquelle: Institut für Plasmaphysik)

Rekorde aufstellen heißt, Zukunft gestalten

Die Entwicklung von Fusionsenergie durch den H-Modus kann den Umfang und die Kosten der Reaktorausrüstung wirksam reduzieren. Würde ITER nach der L-Mode-Energieeinschlusszeitkalibrierung konstruiert, wäre die Anlage sehr groß und die geschätzten Kosten würden sich auf etwa 10 Milliarden US-Dollar belaufen. Allerdings wurde die Kalibrierung der Energieeinschlusszeit im H-Modus später für die Konstruktion von ITER übernommen und durch weitere Modifikationen konnte die Gerätegröße erheblich reduziert und die Baukosten auf 5 Milliarden Euro gesenkt werden.

EAST-Gerät

(Bildquelle: Institut für Plasmaphysik)

Das Erreichen von 403 Sekunden H-Modus-Plasma im EAST-Gerät wird seinen Spitzenwert in den nächsten fünf Jahren beibehalten und die Machbarkeit eines stationären Betriebs mit hoher Einschlussrate weiter bestätigen. Gleichzeitig bietet es auch die notwendigen Voraussetzungen für die Durchführung eingehender Forschungen zu den physikalischen Mechanismen des H-Modus über einen längeren Zeitraum, für die Untersuchung der Auswirkungen energiereicher Teilchen auf die Plasmaeinschlussleistung im H-Modus, für die Linderung und Kontrolle der lokalisierten Randmodi sowie für die Überprüfung und Entwicklung zugehöriger theoretischer Modelle. Durch die Erforschung des stationären Betriebs mit hoher Einschlussdichte und die wirksame Lösung der damit verbundenen wissenschaftlichen Probleme wird die Entwicklung der Fusionsenergie weiter beschleunigt und das erste Licht, das durch Kernfusionsenergie entzündet wird, wird schon bald verwirklicht werden.

Quellen:

[1] John Wesson, Tokamaks (4. Auflage), Oxford University Press, 2011.

[2] Qin Yunwen, Physikalische Grundlagen des Tokamak-Experiments, Atomic Energy Press, 2011.

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

[4] Shi Bingren, Grundlagen der Tokamak-Physik, Zhejiang University Fusion Theory and Simulation Center (Sondervorlesung), 2007.

[5] Friedrich Wagner et al., Regime of Improved Confinement and High-Beta in Neutral-Beam-Heated Divertor Discharges of the Asdex Tokamak, Physical Review Letters, 1982, 49(19):1408-1412.

[6] EAST erreicht erstmals stationäres Plasma im Hocheinschlussmodus in der Größenordnung von 100 Sekunden (Institut für Plasmaphysik)

[7] Liu Wenbin, EAST-Experimentbetriebsbericht (20230413), Institut für Plasmaphysik