- US-amerikanische DIII-D-Anlage kooperiert mit Kyoto Fusion Technology zur Entwicklung eines Abgassystems.
- Das neu gestaltete negative Dreieck-Plasma hilft, thermische Impulse zu dämpfen.
- Das Unternehmen Kyoto wird hitzebeständige Ziegel produzieren, um einen Abscheider als Schornstein des Reaktors zu bauen.
- Die Testergebnisse werden helfen, das Modell für Kraftwerke zu validieren und die Kommerzialisierung der Kernfusionstechnologie voranzutreiben.
Wissenschaftler, die sich mit der Kernfusion beschäftigen, haben ein neues Projekt gestartet, um eines der schwierigsten ingenieurtechnischen Probleme zwischen experimentellen Reaktoren und kommerzieller Energieerzeugung zu lösen. Das in Kalifornien ansässige DIII-D National Fusion Facility arbeitet mit dem japanischen Ingenieurbüro Kyoto Fusion Technology zusammen, um ein spezielles Abgassystem zu bauen und zu testen, das darauf abzielt, die intensive Wärme, die in Kernfusionsreaktoren entsteht, zu bewältigen. Das System wird direkt in die Tokamak-Anlage von DIII-D integriert, die eine von der US-Energiebehörde finanzierte Testplattform ist. Kernfusion erzeugt saubere Energie, indem leichte Atome zusammengeführt werden, ähnlich dem Prozess, der die Sonne antreibt.
Der Großteil der Forschung findet in einer als Tokamak bezeichneten, donutförmigen Magnetfeldkammer statt. Das Erhitzen von Materie auf über 100 Millionen Grad Celsius birgt jedoch erhebliche Risiken für die Wände der Maschine.
Das Potenzial des negativen Dreieck-Designs
Im Hinblick auf die neue Betriebsweise des Tokamaks ist der Standardreaktor starken plötzlichen thermischen Impulsen ausgesetzt, die im Laufe der Zeit die inneren Oberflächen erodieren. Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher ein Design namens „negatives Dreieck“ in Betracht gezogen. Kyoto Fusion Technology erklärte: „Das negative Dreieck oder die umgekehrte 'D'-Form des Plasmas könnte eine revolutionäre Betriebsweise für Fusionsanlagen wie Tokamaks, die Magnetfelder enthalten, darstellen.“ Diese alternative Geometrie bietet einen eleganten physikalischen Vorteil, indem sie instabile thermische Ausbrüche dämpft und überschüssige Wärme gleichmäßig abgibt, bevor sie die Reaktorwände beeinflusst.
Obwohl die Aussichten für dieses Design vielversprechend sind, hat bisher niemand seine Konfiguration mit einem industrietauglichen Abgassystem getestet, um den einzigartigen Partikelstrom zu bewältigen.
Entwicklung eines neuen Abscheiders
Dieses neue Projekt zielt direkt auf diese Lücke ab; Kyoto Fusion Technology wird hitzebeständige Ziegel herstellen, um einen speziell gestalteten „Abscheider“ zu bauen, der als Schornstein des Reaktors fungiert. Nach der Installation werden Forscher von DIII-D, Kyoto Fusion Technology und der Columbia University den Tokamak für umfangreiche Tests aktivieren. Suk-Ho Hong, Koordinator für die Förderung der Fusions-Technologie bei DIII-D, erklärte: „Wir müssen verstehen, wie sich das negative Dreieck in kommerziell relevanten Anlageneinstellungen verhält, was diese Zusammenarbeit ermöglicht hat.“ Er betonte, dass dieses Projekt es Wissenschaftlern ermöglichen wird, diese Methode auf einer aktiven und kosteneffizienten Testplattform zu bewerten.
Ingenieure stehen in der Kammer vor der Herausforderung eines empfindlichen Gleichgewichts. Die Maschine muss eine ausreichend hohe Kerntemperatur aufrechterhalten, um Kernfusion zu ermöglichen, während die äußeren Ränder ausreichend gekühlt werden müssen, um das umliegende Equipment nicht zu schmelzen. Die Tests werden die Leistung des umgekehrten D-Plasmas über längere Betriebszeiten untersuchen und die thermische Belastung und mechanischen Spannungen der inneren Komponenten messen. Bibake Uppal, Präsident von Kyoto Fusion Technology, fasste zusammen: „Die hohe Neutronenlast und der Wärmefluss sind eine der entscheidenden Herausforderungen für die Machbarkeit von Kernfusionskraftwerken.“ Er betonte, dass die Tests des neuen Abscheiderkonzepts entscheidend für den Nachweis der kommerziellen Machbarkeit sind.
Diese Forschungsergebnisse werden in einen umfassenderen Fahrplan einfließen, der vom US-Energieministerium erstellt wurde. Die Testergebnisse werden Physikern helfen, die Gesamtberechnungsmodelle für Kraftwerke zu validieren, die Plasma-Stabilität zu bewerten und die Materialien zu verfeinern, die für zukünftige Pilotkraftwerke benötigt werden. Experimentelle Daten werden im internationalen DIII-D-Nutzer-Netzwerk frei geteilt. Durch offene Forschung zielt diese Zusammenarbeit darauf ab, globalen kommerziellen Kernfusionsunternehmen zu helfen, Reaktoren zu entwerfen, die in der Lage sind, stabil Energie ins Netz zu speisen.
Die Bedeutung des Abgassystems für die Entwicklung der Kernfusion
Die Entwicklung der Kernfusionstechnologie steht vor mehreren ingenieurtechnischen Herausforderungen, insbesondere im Hinblick auf das Wärmemanagement in Hochtemperaturumgebungen. Diese Zusammenarbeit zielt darauf ab, ein Abgassystem zu entwickeln, das effektiv auf die thermischen Impulse im Inneren des Reaktors reagieren kann, was entscheidend für die Verbesserung der kommerziellen Machbarkeit der Kernfusion ist. Die Anwendung des negativen Dreieck-Designs könnte nicht nur die Plasma-Stabilität verbessern, sondern auch entscheidende Daten für zukünftige Kernfusionskraftwerke liefern und somit die Realisierung der globalen Kernfusionstechnologie weiter vorantreiben.