Fusionsforscher finden einen sichereren und effektiveren Weg, einen Stern auf der Erde zu erschaffen

Von SciTechDaily 23. Dezember 2019

Wissenschaftler fanden heraus, dass eine Tokamak-Anlage durch das Einstreuen einer Art Pulver in das Plasma das ultraheiße Gas nutzen könnte, um Wärme und Strom ohne Treibhausgasemissionen oder langfristige radioaktive Abfälle zu erzeugen.

A major issue with operating ring-shaped fusion facilities known as tokamaks is keeping the plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">plasma that fuels fusion reactions free of impurities that could reduce the efficiency of the reactions. Now, scientists at the U.S. Department of Energy’s (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPLThe U.S. Department of Energy’s Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) is a collaborative national laboratory for plasma physics and nuclear fusion science. Its primary mission is research into and development of fusion as an energy source for the world." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">PPPL) haben herausgefunden, dass das Einstreuen einer Art Pulver in das Plasma dazu beitragen könnte, das ultraheiße Gas in einer Tokamak-Anlage zur Erzeugung von Wärme zur Stromerzeugung zu nutzen, ohne dass Treibhausgase oder langfristig radioaktiver Abfall entstehen.

Fusion, die Kraft, die Sonne und Sterne antreibt, kombiniert leichte Elemente in Form von Plasma – dem heißen, geladenen Zustand der Materie, der aus freien Elektronen und Atomkernen besteht – und erzeugt so enorme Energiemengen. Wissenschaftler versuchen, die Kernfusion auf der Erde nachzubilden, um einen praktisch unerschöpflichen Energievorrat zur Stromerzeugung zu erreichen.

Der PPPL-Physiker Robert Lunsford hat Untersuchungen abgeschlossen, die zeigen, dass die Injektion von Borpulver in Fusionsplasma die Fusionsreaktionen unterstützen kann. Bildnachweis: Elle Starkman / PPPL Office of Communications

„Das Hauptziel des Experiments bestand darin, herauszufinden, ob wir mit einem Pulverinjektor eine Borschicht auftragen können“, sagte PPPL-Physiker Robert Lunsford, Hauptautor der Arbeit, die über die Ergebnisse in Nuclear Fusion berichtet. „Bisher scheint das Experiment erfolgreich gewesen zu sein.“

Das Bor verhindert, dass ein Element namens Wolfram aus den Tokamak-Wänden in das Plasma austritt, wo es die Plasmapartikel abkühlen und Fusionsreaktionen weniger effizient machen kann. Auf die dem Plasma zugewandten Oberflächen wird in einem als „Borisierung“ bezeichneten Prozess eine Borschicht aufgetragen. Wissenschaftler wollen das Plasma so heiß wie möglich halten – mindestens zehnmal heißer als die Sonnenoberfläche –, um die Fusionsreaktionen und damit die Wärme zur Stromerzeugung zu maximieren.

Die Verwendung von Pulver zur Borierung ist außerdem weitaus sicherer als die heute verwendete Methode, ein Borgas namens Diboran zu verwenden. „Diborangas ist explosiv, daher muss während des Prozesses jeder das Gebäude, in dem sich der Tokamak befindet, verlassen“, sagte Lunsford. „Wenn man andererseits einfach etwas Borpulver in das Plasma tropfen könnte, wäre das viel einfacher zu handhaben. Während Diborangas explosiv und giftig ist, ist Borpulver inert“, fügte er hinzu. „Diese neue Technik wäre weniger aufdringlich und definitiv weniger gefährlich.“

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Physiker während des Borgasprozesses den Betrieb des Tokamaks unterbrechen müssen, Borpulver jedoch bei laufender Maschine dem Plasma zugesetzt werden kann. Diese Funktion ist wichtig, denn um eine konstante Stromquelle bereitzustellen, müssen zukünftige Fusionsanlagen über lange, ununterbrochene Zeiträume laufen. „Dies ist eine Möglichkeit, zu einer stationären Fusionsmaschine zu gelangen“, sagte Lunsford. „Man kann mehr Bor hinzufügen, ohne die Maschine komplett abschalten zu müssen.“

Es gibt noch andere Gründe, einen Pulvertropfer zum Beschichten der Innenflächen eines Tokamaks zu verwenden. Die Forscher fanden beispielsweise heraus, dass das Einspritzen von Borpulver den gleichen Vorteil hat wie das Einblasen von Stickstoffgas in das Plasma – beide Techniken erhöhen die Hitze am Plasmarand, wodurch das Plasma besser in den Magnetfeldern eingeschlossen bleibt.

Die Pulvertropfertechnik bietet Wissenschaftlern auch eine einfache Möglichkeit, Fusionsplasmen niedriger Dichte zu erzeugen. Dies ist wichtig, da eine niedrige Dichte die Unterdrückung von Plasmainstabilitäten durch magnetische Impulse ermöglicht, eine relativ einfache Möglichkeit, Fusionsreaktionen zu verbessern. Wissenschaftler könnten jederzeit Pulver verwenden, um Plasmen niedriger Dichte zu erzeugen, anstatt auf eine gasförmige Borierung zu warten. Auf diese Weise einfach eine große Bandbreite an Plasmabedingungen erzeugen zu können, würde es den Physikern ermöglichen, das Verhalten von Plasma gründlicher zu erforschen.

Lunsford und die anderen Wissenschaftler der Gruppe hoffen, in Zukunft Experimente durchführen zu können, um zu bestimmen, wohin genau das Material gelangt, nachdem es in das Plasma injiziert wurde. Physiker gehen derzeit davon aus, dass das Pulver auf die gleiche Weise wie das Plasma zur Ober- und Unterseite der Tokamak-Kammer fließt, „aber es wäre nützlich, diese Hypothese durch Modellierung zu untermauern, damit wir die genauen Orte innerhalb des Tokamaks kennen, an denen es ankommt.“ die Borschichten“, sagte Lunsford.

Referenz: „Aktive Konditionierung von ASDEX Upgrade-Wolframplasma-Komponenten und Entladungsverbesserung durch Bor- und Bornitrid-Partikelinjektion“ von R. Lunsford, V. Rohde, A. Bortolon, R. Dux, A. Herrmann, A. Kallenbach, RM McDermott, P. David, A. Drenik, F. Laggner, R. Maingi, DK Mansfield, A. Nagy, R. Neu, E. Wolfrum und das ASDEX Upgrade-Team, 14. Oktober 2019, Nuclear Fusion.DOI: 10.1088/1741 -4326/ab4095

Diese Forschung wurde vom DOE Office of Science (FES) und dem Euratom-Forschungs- und Ausbildungsprogramm unterstützt. Zur Forschungsgruppe gehörten Mitarbeiter des deutschen Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik.