(Eduard Muzhevskyi/Getty Images) Physiker, die an einer Art Fusionsreaktor namens Stellarator arbeiten, kommen der tatsächlichen Nutzung der Leistung näher Kernfusion .
Laut einer neuen Veröffentlichung ist der Stellarator Wendelstein 7-X in Deutschland nun in der Lage, Wärme zu speichern, die doppelt so hohe Temperaturen erreicht wie die im Kern der Sonne. Dies bedeutet, dass es den Physikern gelungen ist, den Wärmeverlust zu reduzieren – ein großer Fortschritt in der Stellarator-Technologie.
„Es sind wirklich aufregende Neuigkeiten für Fusion, dass dieses Design erfolgreich war“, sagte der Physiker Novimir Pablant des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). „Es zeigt deutlich, dass diese Art der Optimierung möglich ist.“
Fusionskraft steht im Mittelpunkt der Energieentwicklungsbemühungen auf der ganzen Welt. Theoretisch beruht es auf der Nutzung der Energie, die freigesetzt wird, wenn Kerne im Plasma verschmelzen, um ein schwereres Element zu erzeugen: derselbe Prozess, der im Herzen von Sternen abläuft. Wenn wir dies erreichen könnten, wären die Vorteile enorm – saubere, leistungsstarke Energie, die praktisch unerschöpflich ist.
Das ist jedoch leichter gesagt als getan. Fusion ist ein äußerst energiereicher Prozess und es ist nicht einfach, ihn einzudämmen. Fusionsenergie wurde erstmals in den 1940er Jahren erforscht; Jahrzehnte später produzieren Fusionsreaktoren immer noch nicht so viel Energie, wie sie verlieren, und zwar bei weitem nicht – obwohl die Lücke kleiner wird.
Die Fusionstechnologie bricht derzeit Temperaturrekorde ist der Tokamak – eine ringförmige Plasmaschleife, die in einer Hülle aus Magnetfeldern eingeschlossen ist und in schnellen Impulsen mit hoher Geschwindigkeit angetrieben wird. Die relative Einfachheit hilft, es bei hohen Temperaturen einzudämmen, allerdings nur in Schüben.
Stellaratoren hingegen basieren auf einer unglaublich komplexen Konfiguration von Magneten, die von einer KI entworfen wurden und das Plasma so steuern können, dass es fließt. Diese sind ziemlich schwierig zu entwerfen und zu bauen, was dazu geführt hat, dass Stellaratoren einen großen Teil der durch Fusion erzeugten Energie in Form von Wärmeverlusten abgeben.
Wendelstein 7-X. (Bernhard Ludewig/Max Planck Institute of Plasma Physics)
Dieser Wärmeverlust ist das Ergebnis eines Prozesses namens neoklassischer Transport , bei dem kollidierende Ionen in einem Fusionsreaktor dazu führen, dass das Plasma nach außen diffundiert. Seine Wirkung ist in Stellaratoren größer als in Tokamaks.
Da Tokamaks ihre eigenen Ineffizienzen aufweisen, versuchten Forscher am PPPL und am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, die Magnete in W7-X zu formen, um die Auswirkungen des neoklassischen Transports zu reduzieren. Und jetzt haben Messungen, die mit einem Instrument namens X-Ray Imaging Crystal Spectrometer (XICS) durchgeführt wurden, sehr hohe Temperaturen gezeigt innen Der Reaktor.
Diese werden durch Messungen der Ladungsaustausch-Rekombinationsspektroskopie (CXRS) gestützt, die als genauer gelten als die XICS-Messungen, aber nicht unter allen Bedingungen durchgeführt werden konnten.
Aber wenn beide Datensätze übereinstimmen, scheint es, dass der Stellarator Temperaturen von fast 30 Millionen Kelvin erreichen konnte.
Das Team stellte fest, dass dies nur möglich wäre, wenn es zu einem starken Rückgang des neoklassischen Transports gekommen wäre. Sie führten Modellierungen durch, um zu bestimmen, wie viel Wärme durch den neoklassischen Transport verloren gehen würde, wenn W7-X nicht optimiert worden wäre, und stellten fest, dass 30 Millionen Kelvin weit außerhalb der Norm lagen.
„Dies zeigte, dass die optimierte Form von W7-X den neoklassischen Transport reduzierte und für die in W7-X-Experimenten beobachtete Leistung notwendig war.“ sagte Pablant . „Es war eine Möglichkeit zu zeigen, wie wichtig die Optimierung war.“
Dieses aufregende Ergebnis stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Verfeinerung des Stellarator-Designs dar, der künftige Bemühungen beeinflussen und prägen wird.
Es ist auch ein bedeutender Schritt in Richtung eines praktischen Fusionsreaktors, obwohl noch viel zu tun ist. Für einen Fusionsreaktor praktisch sein , es muss nicht nur hohe Temperaturen haben, sondern auch die richtige Plasmadichte und angemessene Einschlusszeiten. Obwohl Tokamaks heißer werden, könnte die Reduzierung des Energieverlusts dafür sorgen, dass die Stellarator-Technologie immer noch einen Vorteil haben könnte.
„Die Reduzierung des neoklassischen Transportwesens ist nicht das Einzige, was Sie tun müssen“, sagte Pablant . „Es gibt noch eine ganze Reihe weiterer Ziele, die gezeigt werden müssen, darunter ein gleichmäßiger Lauf und die Reduzierung des turbulenten Transports.“
Da derzeit verschiedene Kernfusionsreaktortechnologien entwickelt werden, scheint es nur eine Frage der Zeit zu sein, bis einer von ihnen funktioniert. Es kann noch eine Weile dauern, bis die durch Kernfusion erzeugte Energie unsere Stromnetze erreicht, aber wenn es soweit ist, könnte es durchaus die Welt verändern.
W7-X wird derzeit modernisiert und wird 2022 den Betrieb wieder aufnehmen.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .