Neues Gesetz bricht Integrationsbeschränkungen

Physiker der EPFL haben in einer großen europäischen Zusammenarbeit eines der Grundgesetze überarbeitet, das seit mehr als drei Jahrzehnten für die Plasma- und Fusionsforschung von zentraler Bedeutung ist und sogar das Design von Megaprojekten wie ITER regelt. Das Update zeigt, dass wir tatsächlich mehr Wasserstoffbrennstoff in Fusionsreaktoren sicher verwenden können und somit mehr Energie gewinnen als bisher angenommen.

Fusion ist eine der vielversprechendsten Energiequellen der Zukunft. Es besteht aus zwei Atomkernen, die sich zu einem Atomkern verbinden und dabei riesige Energiemengen freisetzen. Tatsächlich testen wir Verschmelzung Jeden Tag: kommt von der Wärme der Sonne Wasserstoffkerne Fusion in schwerere Heliumatome.

Derzeit gibt es ein massives internationales Fusionsforschungsprojekt namens ITER, das darauf abzielt, die Fusionsprozesse der Sonne zu replizieren, um Energie auf der Erde zu erzeugen. Sein Ziel ist es, ein Hochtemperaturplasma zu erzeugen, das die richtige Umgebung für die Fusion und die Energieerzeugung bietet.

Plasma – ein gasähnlicher Zustand ionisierter Materie – besteht aus positiv geladenen Kernen und negativ geladenen Elektronen und ist millionenfach weniger dicht als die Luft, die wir atmen. Plasma wird durch Unterwerfen von „Fusionsbrennstoff“ gebildet –Wasserstoffatome– zu extrem hohen Temperaturen (10 Mal die Temperatur des Sonnenkerns), wodurch Elektronen gezwungen werden, sich davon zu trennen Atomkerne. Der Vorgang findet innerhalb einer donutförmigen Struktur („ringförmig“) genannt statttokamak. „

sagt Paolo Ricci vom Swiss Plasma Center, einem der weltweit führenden Forschungsinstitute auf dem Gebiet der Fusion an der EPFL.

In einer großen europäischen Zusammenarbeit hat Riccis Team nun eine Studie veröffentlicht, um das Grundprinzip der Plasmaerzeugung zu aktualisieren – und um zu zeigen, dass der kommende ITER-Tokamak tatsächlich mit der doppelten Menge an Wasserstoff arbeiten und somit mehr Fusionsleistung erzeugen kann als bisher angenommen.

„Eine der Einschränkungen bei der Herstellung des Plasmas im Tokamak ist die Menge an Wasserstoffbrennstoff, die man hineinspritzen kann“, sagt Ritchie. „Seit den Anfängen der Fusion wissen wir, dass, wenn man versucht, die Dichte des Brennstoffs zu erhöhen, es irgendwann zu dem kommt, was wir eine ‚Störung‘ nennen – man verliert im Grunde einfach die Grenze komplett und das Plasma verschwindet wo auch immer es ist. In den 80er Jahren versuchten die Leute, eine Art Gesetz zu erfinden, das vorhersagen konnte, wie hoch die maximale Wasserstoffdichte ist, die man in einen Tokamak stecken kann.

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 zentralen Grundsatz der Fusionsforschung geworden; Tatsächlich basiert die Tokamak-Baustrategie von ITER darauf.

„Greenwald hat das Gesetz empirisch abgeleitet, d.h. aus Versuchsdaten„Es ist keine getestete Theorie oder das, was wir ‚erste Prinzipien‘ nennen“, erklärt Ritchie. Allerdings hat die Grenze in der Forschung gut funktioniert. Und in manchen Fällen, wie DEMO (dem Nachfolger von ITER), ist diese Gleichung so ziemlich eine Limit für den Betrieb, weil es besagt, dass Sie die Intensität des Kraftstoffs nicht über ein bestimmtes Niveau hinaus erhöhen können.

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 hat Maurizio Giacomene, Ph.D. Als Student in Riccis Gruppe begann er, die dichtebegrenzenden physikalischen Prozesse in Tokamaks zu analysieren, um ein First-Principles-Gesetz abzuleiten, das die Dichte von Brennstoffen mit dem Volumen von Tokamaks 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 herausgefunden haben, ist, dass, wenn man dem Plasma mehr Brennstoff hinzufügt, 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, kühlen Teile davon ab – und es wird schwieriger, Strom darin zu 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 der Aufruhr kommt Plasma Komplizierter, weil man auch elektromagnetische Felder hat.“

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 in Briefe zur körperlichen Überprüfunges wird Greenwalds Grenzen gerecht, indem es sich ihnen annähert, aktualisiert sie jedoch in wichtiger Weise.

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 einer viel höheren Leistung betrieben als bestehende Tokamaks und ITER, was bedeutet, dass Sie mehr hinzufügen können Kraftstoff Dichte ohne Einschränkung der Produktion, entgegen dem Gesetz von Greenwald. Das sind sehr gute Neuigkeiten.“