Durchbruch bei EAST Tokamak: Wichtige Grenze erstmals überwunden

Chinesische Forscher haben eine wichtige Hürde bei der Fusionszündung gemeistert. Sie konnten die Greenwald-Grenze im EAST Tokamak überwinden und somit ein dichteres Plasma erzeugen als je zuvor.

Beim Tokamak wird der Brennstoff, bestehend aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium, auf rund 150 Millionen Grad aufgeheizt. Bei diesen Temperaturen schmelzen die Atomkerne zusammen und geben Energie frei. Die Dichte dieser Brennstoffwolke ist entscheidend dafür, ob und wann die Fusion zündet und wie viel Energie ein Fusionsreaktor liefern kann. Steigt die Dichte um das Doppelte, würde die Energie um das Vierfache ansteigen.

Greenwald-Grenze als oberstes Limit

Diese Dichte wurde bislang allerdings von einem Limit begrenzt, der sogenannten Greenwald-Grenze. Diese beschreibt eine Grenze der Plasmadichte, die mit der Größe der Anlage und dem Plasmastrom zusammenhängt. Wird diese Grenze überschritten, kommt es in der Regel zu einer Störung des Plasmas. Es wird instabil und bricht in sich zusammen.

Die Greenwald-Grenze entsteht, weil das Plasma bei zunehmender Dichte stärker mit den Wänden des Reaktors interagiert. Die geladenen Teilchen treffen dort auf neutrale Teilchen, wodurch sie Energie verlieren oder selbst zu neutralen Teilchen werden. 

2021 veröffentlichte der französische Physiker Dominique Franck Escande ein Konzept, wie diese Grenze überwunden werden könnte. In dem Betriebszustand, der sich "density-free regime" nennt, muss ein empfindliches Gleichgewicht zwischen dem Plasma und den Reaktorwänden hergestellt werden. Das kann auf mehreren Wegen erreicht werden.

Heizung erwärmt Randbereich des Plasmas

Beim EAST Tokamak wurde dieser Betriebszustand nun erstmals verifiziert. Um ihn zu erreichen, nutzten die Forscher die Elektronenzyklotronresonanzheizung. Diese kann man sich als eine Art Mikrowellenheizung vorstellen. Anstelle von Wassermolekülen werden aber die geladenen Atome (Ionen) zum Schwingen gebracht und dadurch aufgeheizt.

Dadurch, dass man gezielt Ionen im Randbereich des Plasmas aufgeheizt hat, konnte das Plasma dort heiß und geladen gehalten werden. Die Greenwald-Grenze wurde so um bis zu 65 Prozent nach oben versetzt, wodurch auch deutlich dichtere Plasmen gelangen.

Fusionsanlagen der nächsten Generation

"Die Ergebnisse deuten auf einen praktischen und skalierbaren Weg zur Erweiterung der Dichtegrenzen in Tokamaks und Fusionsanlagen der nächsten Generation mit brennendem Plasma hin", sagt der Forscher Ping Zhu in einer Aussendung.

Die Greenwald-Grenze gilt allerdings nur für Tokamaks, wie etwa dem europäischen ITER. Bei Fusionsreaktoren, die auf dem Stellarator-Prinzip basieren, ist das Limit 2 bis 5 Mal höher.