Durchbruch bei Kernfusion: Bisherige Grenze um das 10-Fache übertroffen

Irgendwann soll es mit Kernfusion möglich werden, beinahe unbegrenzt und gleichzeitig umweltfreundlich Strom zu erzeugen. In die Technologie werden deshalb große Hoffnungen gesetzt und viel daran geforscht. Nun haben es Forscher aus den USA geschafft, viel mehr Brennstoff in ihren Reaktor einzufüllen, als theoretisch für möglich gehalten wurde.

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Ein als Tokamak bezeichneter Fusionsreaktor ist im Grunde ein hohler Metallring, das an einen Donut erinnert. In diesem Gerät findet die Fusionsreaktion statt. Durch den Metallring wirbelt dann ionisiertes Plasma, das dort mit einem Magnetfeld in der Schwebe gehalten wird. Das ist wichtig, weil die Hitze des Plasmas (ca. 100 Millionen Grad) die Reaktorwände beschädigen würde.

Der Tokamak ist die am häufigsten gebrauchte Form eines Fusionsreaktors. Solche Forschungsreaktoren gibt es derzeit an verschiedenen Orten.

Greenwald-Limit

Je nachdem wie groß diese Tokamaks sind, passt dort eine gewisse Menge an Wasserstoff-Brennstoff hinein. Diese Atomkerne prallen dann aufeinander, wodurch sie verschmelzen und Energie freigesetzt wird. Es gilt: Je mehr Atomkerne aufeinander prallen, also je höher die Plasmadichte, desto effizienter ist die Fusionsreaktion.

Irgendwann ist aber ein Limit erreicht – an diesem Punkt gerät das Plasma im Reaktor außer Kontrolle und kann die Reaktorwände beschädigen. Das sogenannte Greenwald-Limit, benannt nach seinem Entdecker, dem US-Physiker Martin Greenwald, ist seit fast 40 Jahren bekannt. Das Greenwald Limit ist ein wichtiger Richtwert, nach dem viele Tokamaks gebaut werden. 

Bislang wurde dieses Limit nur selten übertroffen - und wenn, dann maximal um den Faktor 2. Amerikanischen Forschern ist es nun gelungen, einen Forschungsreaktor mit der 10-fachen Plasmadichte stabil zu betreiben, wie das eigentlich nach dem Greenwald Limit möglich sein sollte. 

Spezieller Fusionsreaktor

Die Physiker von der University of Wisconsin–Madison schafften den Durchbruch in ihrem Reaktor Madison Symmetric Torus (MST). „Unsere Entdeckung könnte dabei helfen, die Produktion von Fusionsenergie anzukurbeln und Maschinenschäden zu verhindern“, sagt der Forscher Noah Hurst in einer Aussendung.

Die Steigerung um den 10-fachen Wert dürfte gelungen sein, weil es sich beim MST nicht um einen herkömmlichen Tokamak handelt. Es handelt sich nämlich um einen sogenannter Reversed Field Pinch (RFP), dessen Hauptaufgabe es ist, Fusionsplasma einzusperren. Er besitzt über ein einzigartiges Magnetfeld und auch der Metallring, in dem das Plasma ist, dicker und hoch leitend. Deshalb ermöglicht er einen stabileren Betrieb als andere Tokamaks. 

Aus Fehlern lernen

Eigentlich wollten die Forscher bei ihrem Projekt herausfinden, wie man das Plasma instabil machen kann. So machten sie ihre erstaunliche Entdeckung, dass sie das Greenwald Limit stark übersteigern konnten, ohne an Plasmastabilität einzubüßen. 

„Zukünftige Tokamak-Reaktoren werden wahrscheinlich nahe oder oberhalb der Greenwald-Grenze betrieben werden müssen", sagt Hurst. "Wenn wir also die Dichtegrenze und die Physik besser verstehen, die uns dabei hilft, das Zehnfache der Grenze zu erreichen, können wir etwas gegen diese Limitierung unternehmen.“

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Suche nach Erklärungen

Nun suchen die Forscher nach weiteren Erklärungen, warum sie die Grenze so stark überschreiten konnten. Es dürfte wahrscheinlich etwas mit dem MST zu tun haben. In anderen Fusionsreaktoren wie etwa dem in Frankreich entstehenden ITER dürfte das allerdings nicht ohne weiteres funktionieren. 

„Wir werden diese Plasmen weiter untersuchen und glauben, dass das, was wir dabei lernen, dazu beitragen könnte, dass leistungsstärkere Fusionsanlagen mit den höheren Dichten betrieben werden können, die sie für ihren Erfolg benötigen“, sagt Hurst.