- Spuren von Wolfram können den für die Zündung erforderlichen Druck in einem Fusionsplasma verdoppeln.
- Die Studie schlägt einen neuen Zündpfad vor: erst Erhitzen, dann Erhöhung der Dichte.
- Wolfram könnte in zukünftigen Fusionsreaktoren eine wichtige Rolle spielen.
- Die aktuellen Erkenntnisse sind noch theoretischer Natur und bedürfen weiterer experimenteller Verifizierung.
Laut einem neuen theoretischen Modell des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums könnte eine winzige Menge Wolfram in einem Fusionsplasma den zur Erreichung der Zündung erforderlichen Druck etwa verdoppeln. Forscher entdeckten, dass bereits eine Wolfram-Konzentration von nur einem Teilchen pro 10.000 Teilchen die Bedingungen, unter denen ein Plasma eine Fusionsreaktion ohne anhaltende externe Heizung aufrechterhalten kann, erheblich verbessert. Die Studie aktualisiert das Lawson-Kriterium, einen vor etwa 70 Jahren etablierten Maßstab, um zu beurteilen, ob ein Fusionsplasma heiß genug, dicht genug und lange genug andauernd ist, um das Zündziel zu erreichen.
Die Forscher berücksichtigten mehrere Realwelt-Effekte, die das ursprüngliche idealisierte Kriterium nicht abdeckte. Die Berechnungen deuten zudem auf einen potenziell effizienteren Zündpfad hin. Das Modell empfiehlt, das Plasma zunächst zu erhitzen und dann seine Dichte zu erhöhen, was einen effizienteren Weg darstellen könnte.
Neues Modell bietet effizienteren Zündpfad
PPPL-Physiker Luis Delgado-Aparicio sagte: „Viele Unternehmen wollen die Herausforderung frontal angehen und gewaltige Energie aufwenden, um das Ziel zu erreichen. Tatsächlich kann man den Gipfel umgehen und so auf schlauere Weise denselben Ort erreichen, wobei deutlich weniger Energie verbraucht wird.“ Die Forscher beschrieben diesen Pfad mit einem als Cordey saddle bezeichneten Bereich. Dieser Bereich stellt den tiefsten Punkt einer Grenze dar, die Plasmen, die noch externe Heizung benötigen, von solchen trennt, die selbstständig brennen können.
In einem idealen, nur Fusionsbrennstoff enthaltenden Plasma setzt das Modell diesen Punkt bei einem Fusionsgewinn (Q) von etwa 5 an. Das bedeutet, dass das Plasma etwa die fünffache Energie der externen Heizung als Fusionsenergie erzeugt. Allerdings können Verunreinigungen, Strahlungsverluste und andere Realwelt-Effekte diesen Punkt verschieben und den erforderlichen Gewinn erhöhen.
Potenzielle Auswirkungen und Herausforderungen von Wolfram
Das Team nahm vier Faktoren in sein Modell auf: das bei der Fusionsreaktion entstehende Helium-Ash, leichte und schwere Verunreinigungen, die von der Reaktorwand eindringen, Synchrotronstrahlungsverluste sowie die aus dem Plasma entweichende Wärme. PPPL-Physiker Masayuki Ono merkte an: „Wenn man diese Effekte ignoriert, glaubt man, das Design funktioniere gut; sobald man sie aber berücksichtigt, ändert sich die gesamte Lage, und diese Faktoren werden recht wichtig.“ Die Entdeckung zum Wolfram könnte für zukünftige Fusionsreaktoren besonders wichtig sein. Mehr als ein Dutzend Fusionsanlagen der nächsten Generation haben Wolfram bereits als Wandmaterial gewählt, da das Metall extrem hohen Temperaturen standhält.
Wenn jedoch ein Wolfram-Atom pro 10.000 Teilchen in das Plasma gelangt, zeigen die zweidimensionalen Berechnungen des Teams, dass der zur Erreichung der Zündung erforderliche Druck sich etwa verdoppeln könnte.
Wenn diese Effekte auf drei Dimensionen erweitert werden, könnte der erforderliche Druck den kritischen Punkt überschreiten, bei dem das Plasma stabil bleibt. Forscher geben an, dass beispielsweise das Beschichten der Reaktorwand mit flüssigem Lithium helfen kann, das Eindringen von Wolfram in das Plasma zu verhindern und gleichzeitig die Wärmerückhaltung zu verbessern. Spinpolarisierter Fusionsbrennstoff, bei dem die Brennstoffkerne vor der Fusion ausgerichtet werden, könnte ebenfalls die Fusionsreaktionsrate erhöhen. Interessanterweise könnten die Energieverluste, die die Zündung erschweren, dazu beitragen, das brennende Plasma zu stabilisieren. Das Modell zeigt, dass diese Verluste einen thermischen Ausbruch kompensieren können, bei dem die zunehmende Fusionswärme zu immer schnelleren Fusionsreaktionen führt.
Derzeit befinden sich diese Erkenntnisse noch im theoretischen Stadium; es gibt noch kein Experiment, das Bedingungen in der Nähe des Cordey saddle erreichen kann, um den vorgeschlagenen Pfad der prioritären Erhitzung experimentell zu testen.
Die Forscher planen digitale Experimente, um den Ansatz weiter zu untersuchen. PPPL-Physiker Jonathan Menard sagte: „Obwohl noch weitere Forschung nötig ist, sind wir von diesen Ergebnissen begeistert, da sie einen klaren Weg für die zukünftige Forschung in diesem Bereich aufzeigen.“ Die Studie wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.
Bedeutung von Wolfram in der Fusionsforschung
Die Entdeckung zum Wolfram ist für die Entwicklung der Fusionsenergietechnologie von entscheidender Bedeutung. Aufgrund seiner Fähigkeit, extrem hohen Temperaturen standzuhalten, wurde Wolfram als Innenwandmaterial für Fusionsanlagen der nächsten Generation gewählt. Die Forschung zeigt, dass die Zugabe von Spuren von Wolfram nicht nur die Plasma-Leistung erheblich steigern kann, sondern auch die Zündstrategie der Kernfusion verändern könnte, was für die Steigerung der Energieeffizienz und die Senkung des Energieverbrauchs von großer Bedeutung ist. Obwohl die Forschung derzeit noch im theoretischen Stadium ist, werden zukünftige Experimente helfen, diese Theorien zu verifizieren und die praktische Anwendung der Fusionsenergietechnologie voranzutreiben.