Voids im Plasma: Rätsel um Fusionsreaktoren gelöst

Amerikanische Forscher sind zuversichtlich, ein Rätsel der Fusionsenergie gelöst zu haben. Mit einem neuen Berechnungsmodell könnten Turbulenzen besser vorhergesagt werden, die im Plasma von Tokamak-Reaktoren entstehen.

Tokamaks sind ringförmige Anlagen, die von ihrer Form her an Donuts erinnern. In diesen Behältnissen wird gasförmiges Plasma eingeschlossen und auf sehr hohe Temperaturen erhitzt, sodass eine Fusionsreaktion stattfinden kann. Magnetfelder halten das Plasma währenddessen von den Wänden des Tokamaks fern. Denn bei Kontakt mit der Tokamakwand würde sich das Plasma durchbrennen - es ist über 100 Millionen Grad Celsius heiß.

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Turbulenzen im Plasma

Im besten Fall ist das Plasma stabil. Bei bisherigen Experimenten zeigte sich aber immer wieder, dass das Plasma häufig unruhig und instabil wird. Bricht es zusammen, kann das Fusionskraftwerk keine Energie erzeugen, bis das Plasma wieder „gezündet“ wird. Je stabiler das Plasma ist, desto höher ist also die Energieausbeute und desto effizienter arbeitet ein Fusionsreaktor.

Bisher wurden als Verursacher für Instabilitäten hauptsächlich „Blobs“ untersucht, die sich im Plasma Richtung Reaktorwand bewegen. Spekulationen, dass eine Bewegung ebenfalls Richtung des Kerns des Plasmas stattfindet, gibt es schon länger. Bisher konnte die Theorie aber nicht nachgewiesen werden. "Die detaillierten Prozesse dahinter blieben ein Rätsel - bis zu den neuesten Experimenten", schreiben die Forscher Mingyun Cao and Patrick Diamond in ihrer Studie.

Beim Erhitzen des Plasmas treten am äußeren Rand der Gaswolken im Tokamak nicht nur Blobs auf, sondern auch „Voids“ (Hohlräume). Das sind Stellen im Plasma, wo die Dichte geringer ist als im Rest. Und genau diese Voids konnte man bisher kaum beobachten.

Voids erzeugt Wellen

Die amerikanischen Forscher haben ein neues Physik-Modell entwickelt, mit dem Voids erfasst werden können. Das Modell basiert auf den sogenannten „First Principles“ - grundlegende Naturgesetze, die sagen, wie sich Teilchen, Felder und andere wichtige Faktoren verhalten. Durch das Modell stellten sie fest, dass sich Voids durch das Plasma bewegen. Dabei erzeugen sie eine Art von Wellen. Sie vermuten, dass diese Wellen die turbulente Schicht des Plasmas vergrößern, was bisherige Vorhersagemodelle für Plasma-Turbulenzen noch nicht erfassen können.

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Nun wollen die Physiker von der University of California, San Diego ihre Theorie testen, indem sie echte Experimente durchführen und schauen, ob ihr physikalisches Rechenmodell tatsächlich funktioniert. Sollte sich das bestätigen, könnte ihr Modell dazu beitragen, dass Fusionsreaktoren optimiert werden, um Plasma-Tubolenzen zu vermeiden. Das könnte die Fusionsenergie einen bedeutenden Schritt nach vorne bringen und wir eines Tages mit sauberer, sicherer und nahezu unbegrenzter Energie aus Fusionsreaktoren versorgt werden.