Ein neues Grundgesetz, das die Grenzen der Fusionsenergie aufhebt

Physiker der EPFL haben in einer grossen europäischen Zusammenarbeit eines der etablierten Grundgesetze revidiert[{“ 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.”

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.”

Die Antwort kam 1988, als der Fusionswissenschaftler Martin Greenwald ein berühmtes Gesetz veröffentlichte, das die Brennstoffdichte mit dem kleinen Tokamak-Radius (dem Radius des inneren Kreises eines Donuts) und dem im Plasma innerhalb des Tokamak fließenden Strom in Beziehung setzt. Seitdem ist die „Greenwald-Grenze“ zu einem Grundprinzip der Fusionsforschung geworden. Tatsächlich basiert die Strategie von ITER zum Bau des Tokamaks darauf.

Ritchie erklärt: „Greenwald leitet das Gesetz empirisch ab, und dies basiert ausschließlich auf empirischen Daten – keine getestete Theorie oder das, was wir ‚erste Prinzipien‘ nennen.“ In der Forschung hat die Grenze jedoch gut funktioniert. Und in manchen Fällen, wie bei DEMO (dem Nachfolger von ITER), stellt diese Gleichung eine große Einschränkung für ihren Betrieb dar, weil sie besagt, dass man die Dichte des Brennstoffs nicht über ein bestimmtes Niveau hinaus erhöhen kann.“

In Zusammenarbeit mit den Tokamak-Teams entwarf das Swiss Plasma Center ein Experiment, bei dem hochentwickelte Technologie zur präzisen Steuerung der in den Tokamak eingespritzten Kraftstoffmenge eingesetzt werden konnte. Die umfangreichen Versuche wurden am weltgrößten Tokamak, dem Joint European Tokamak (JET) in Großbritannien, sowie am ASDEX-Upgrade in Deutschland (Max-Planck-Institut) und am TCV-Tokamak der EPFL 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 Giacomene, Doktorand in Riccis Gruppe, die physikalischen Prozesse zu analysieren, die die Tokamak-Dichte begrenzen, um ein Gesetz elementarer Prinzipien abzuleiten, das die Brennstoffdichte mit dem Tokamak-Volumen in Beziehung setzen könnte. Ein Teil davon beinhaltet die Verwendung einer fortschrittlichen Plasmasimulation unter Verwendung eines Computermodells.

„Die Simulationen nutzen einige der größten Computer der Welt, wie sie von CSCS, dem Swiss National Centre for Supercomputing, und EUROfusion ermöglicht werden“, sagt Ritchie. „Und was wir durch unsere Simulationen festgestellt haben, ist, dass, wenn Sie dem Plasma mehr Brennstoff hinzufügen, Teile davon von der äußeren kalten Schicht des Tokamaks, der Grenze, zu seinem Kern wandern, weil das Plasma turbulenter wird elektrische Kupferdrähte, die beim Erhitzen widerstandsfähiger werden, Plasma beim Abkühlen widerstandsfähiger wird Je mehr Brennstoff man also bei gleicher Temperatur einfüllt, kühlt Teile davon ab – und desto schwerer kann Strom darin fließen Plasma, das zu Turbulenzen führen kann.“

Dies war eine Herausforderung zu simulieren. „Turbulenzen in einer Flüssigkeit sind eigentlich das wichtigste offene Problem in der klassischen Physik“, sagt Ritchie. „Aber Turbulenzen im Plasma sind komplexer, weil es auch elektromagnetische Felder gibt.“

Am Ende konnten Ritchie und seine Kollegen den Code knacken und „Stift auf Papier“ setzen, um eine neue Gleichung für die maximale Treibstoffgrenze am Tokamak abzuleiten, die gut mit den Experimenten übereinstimmt. Veröffentlicht im Magazin Briefe zur körperlichen Überprüfung Am 6. Mai 2022 wird es der Greenwald-Grenze gerecht, indem es sich ihr nähert, sie aber in wichtigen Punkten modernisiert.

Die neue Gleichung geht davon aus, dass die Greenwald-Grenze in Bezug auf Brennstoff bei ITER ungefähr zweimal angehoben werden kann; Das bedeutet, dass Tokamaks wie ITER tatsächlich doppelt so viel Brennstoff zur Plasmaerzeugung verbrauchen können, ohne sich Gedanken über Turbulenzen machen zu müssen. „Das ist wichtig, weil es zeigt, dass die Intensität, die man in einem Tokamak erreichen kann, mit der Leistung zunimmt, die man braucht, um es zu betreiben“, sagt Ritchie. „Tatsächlich wird DEMO mit viel höherer Leistung arbeiten als aktuelle Tokamaks und ITER, was bedeutet, dass Sie im Gegensatz zum Greenwaldschen Gesetz mehr Brennstoffdichte hinzufügen können, ohne die Leistung zu verringern. Und das sind sehr gute Neuigkeiten.“

Referenz: „Grundprinzipien des Tokamak-Dichtegrenzwertmessers basierend auf turbulentem Kantentransport und seinen Überlegungen zu ITER“ Von M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, ASDEX Upgrade Team, JET-Aktionäre und TCV Mannschaft , 6. Mai 2022, Briefe zur körperlichen Überprüfung.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.185003

Liste der Mitwirkenden

• Schweizer Plasmazentrum EPFL
• Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
• EPFL TCV-Team
• ASDEX-Upgrade-Team
• Mitwirkende bei JET

Förderung: Konsortium EUROfusion (Euratom Research and Training Programme), Schweizerischer Nationalfonds (SNF)