Kernfusion: Fortschritte bei der magnetischen Begrenzung

Im Gegensatz zur Kernspaltung, die einen schweren Kern bricht, um zwei leichtere zu bilden, besteht die Fusion, ein Prozess, der die Kerne der Sterne nährt, darin, zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren Kern zu kombinieren. Das Wiederholen der Bedingungen, die zur Fusion führen, ist eine Herausforderung, da diese Reaktionen bei extremen Drücken und Temperaturen auftreten und Hunderte Millionen Grad Celsius erreichen. Unter diesen Bedingungen wird das Material durch ein Magnetfeld in Form eines Plasmas, eines ionisierten Gases unter Wärmeeinfluss, begrenzt, in dem sich die Elektronen und der Atomkern frei drehen.

Das Magnetfeld, das das Plasma einschließt, weist jedoch eine Anomalie auf, die klein, aber ausreichend ist, um die Erosion von Magma zu bewirken, und dann verschwindet die Fusionsreaktion. Eine in der Zeitschrift veröffentlichte Studie Physische Überprüfungsschreiben Es wird eine vielversprechende Methode erläutert, mit der diese Verstöße kompensiert werden können.

Magnetischer Einschluss, um die Reaktion einzudämmen und aufrechtzuerhalten

Um die Fusionsreaktion zu stimulieren, verwenden die Forscher die Methode, Plasmapartikel mit einem Magnetfeld einzufangen, insbesondere unter Verwendung von Tokamak (russische Abkürzung für „Ringkammer mit Magnetspulen“). Es handelt sich um ringförmige Strukturen, sogenannte Tori, um die Spulen installiert sind, die ein Magnetfeld erzeugen.

Bau von Poloidspulen, die das Magnetfeld am Tokamak „International Thermonuclear Experimental Reactor“ (ITER) in Saint-Paul-les-Durance in Südfrankreich erzeugen. Credits: Clement Mahudo / AFP

Die Idee ist, die geladenen Plasmapartikel auf geschlossenen Wegen zu halten, ohne zu nahe an die Mitte des Rings oder die Außenwände zu gelangen. Die Verwendung eines Magnetfelds zusammen mit einer Wärmezufuhr zu den Außenwänden ermöglicht es, das Plasma auf Temperaturen zu erwärmen, die für die Kernfusion geeignet sind, und es begrenzt zu halten. Derzeit konzentriert sich die Forschung auf die Lebensfähigkeit der Kernfusion als industriellen Prozess. Besonders in Bezug auf die magnetische Bildung: Dies wird dank der Spulen erzeugt, die den Ring umgeben.

Das Magnetfeld ist modifiziert und weist Verzerrungen auf

Der Teilchenweg ist jedoch praktisch nicht genau der gleiche. Erstens ist die Anzahl der den Tokamak umgebenden Spulen begrenzt: Das von ihm erzeugte Magnetfeld wird modifiziert, anstatt homogen und symmetrisch ausgerichtet zu sein, und seine Modulation hängt vom Abstand zwischen den Spulen ab. Wissenschaftler der Cadarache CEA arbeiten an diesem Problem, darunter auch Xavier Garbet, der Licht ins Dunkel bringt Wissenschaft und Zukunft Zum Forschungsproblem der Kernfusion.

Darüber hinaus wegen prof Die unvollständige Ausrichtung der Spulen, die das Magnetfeld erzeugen, weist unregelmäßige Verzerrungen auf, die das Plasma instabil machen. Diese Ausrichtungsfehler sind minimal, so niedrig wie der Magnetfeldwert von 10.000, aber ausreichend, um einen signifikanten Einfluss zu verursachen. In der Tat verursacht die geringste Ausrichtungsaberration einen Unterschied im Magnetfeld und führt zu einer Instabilität im Plasma.

Schließlich werden im Plasma selbst unabhängig von Magnetfeldfehlern Instabilitäten erzeugt. Um die intrinsische Plasmainstabilität auszugleichen, werden zusätzliche Magnete entweder innerhalb oder außerhalb des Tokamaks platziert. „“Seine Wirkung ist signifikanter, wenn es in der Nähe des geschmolzenen Plasmas platziert wird. Xavier Garbet, Forscher am Institut für Forschung und Fusion Magnétique (IRFM), erklärt.

Diese Magnete fügen jedoch noch andere Effekte hinzu: Während sie das Plasma stabilisieren, verlangsamen sie es auch. Diese Hemmung kann dann zu neuen Instabilitäten führen, aber auch Partikel aus dem Plasma ausstoßen, insbesondere Alpha-Partikel (Heliumkerne). Diese sind notwendig, um die Temperatur des Plasmas aufrechtzuerhalten, so dass ein Verlust zu einer Verringerung der Reaktion führen kann. Über dieses Problem arbeiteten die Forscher im Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) in Princeton.

Semisymmetrisch zum Entfernen von Verzerrungen ohne Nebenwirkungen

Um diese Nebenwirkungen zusätzlicher Magnete zu vermeiden, arbeitete das Forscherteam von Princeton an der Quasi-Symmetrie, einer Klasse magnetischer Störungen, die den helikalen Pfad von Plasmapartikeln verändern. Dieser Weg schränkt auch das Plasma ein, auch wenn er nicht streng „symmetrisch“ ist.

Die Technik der Forscher besteht darin, zusätzliche Störungen zu erzeugen, um die ursprünglichen Fehler zu kompensieren. „Eine Möglichkeit, die Rotation aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die Stabilität zu gewährleisten, besteht darin, die Form des Magnetfelds so zu ändern, dass sich die Partikel so verhalten, als ob das Magnetfeld nicht verzerrt wäre.“, Kündigt in prof Kommunizieren PPPL-Physiker Jung Kyu Park, Hauptautor der Studie.

Zu diesem Zweck führten die Forscher zunächst eine Durchflussmessung im Tokamak durch. Dank dieser Messung schließen sie auf die Magnetfeldfehler und berechnen dann das anzulegende Feld und kompensieren sie dann. „Wir müssen ein nahezu identisches dreidimensionales Magnetfeld im Plasma aufbauen, um die Partikel zu verwirren und sie so zu verhalten, als wären sie vom Feld nicht betroffen.“Kompletter Park.

Störungen in der ersten Testphase

Dann verwendeten sie bereits im Tokamak platzierte Spulen, um dort „quasi-symmetrische“ magnetische Störungen zu erzeugen, die keine Symmetrie um eine Achse erzeugen, es aber dennoch ermöglichen, das Plasma einzufangen. Es wurden Tests an DIII-D-Tokamaks in San Diego und KSTAR in Südkorea durchgeführt, bei denen beobachtet wurde, ob eine hemmende Wirkung wie bei anderen magnetischen Störungen bestand.

Die Ergebnisse sind aufregend: keine hemmende Wirkung oder Partikelverlust! Prozess Bietet eine zuverlässige Methode zur vollständigen Verbesserung von Magnetfeldfehlern im Fusionsverbrennungsplasma.In Übereinstimmung mit Artikel. „Diese Arbeit kann die Grundlage sein, auf der zukünftige Kontrollstrategien für diese Bereiche entwickelt werden.“Erklärt Buzz Soldan, Co-Autor und Physiker der Publikation bei Tokamak DIII-D.

Es bleibt abzuwarten, ob diese Störungen ihre Hauptaufgabe erfüllen, nämlich die Instabilität des Plasmas zu lindern. schließlich, „der letzte Schritt“Dieses Konzept wird auf ITER angewendet, sagte Park, „So können wir die Fehlerfelder in diesem Tokamak korrigieren.“