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Die Fusion ist eine der vielversprechendsten Energiequellen der Zukunft. Dabei verschmelzen zwei Atomkerne zu einem und setzen dabei enorme Mengen an Energie frei. Tatsächlich erleben wir die Fusion jeden Tag: Die Wärme der Sonne stammt von der Fusion von Wasserstoffkernen zu schwereren Heliumatomen.
Derzeit gibt es ein internationales Megaprojekt der Fusionsforschung namens ITER, das die Fusionsprozesse der Sonne nachbilden soll, um Energie auf der Erde zu erzeugen. Ziel ist die Erzeugung eines Hochtemperaturplasmas, das die richtige Umgebung für die Fusion und damit die Energieerzeugung bietet.
Plasmen - ein ionisierter Zustand der Materie, der einem Gas ähnelt – bestehen aus positiv geladenen Kernen und negativ geladenen Elektronen und sind fast eine Million Mal weniger dicht als die Luft, die wir atmen. Plasmen entstehen, indem der «Fusionsbrennstoff» – Wasserstoffatome – extrem hohen Temperaturen ausgesetzt wird (10-mal so hoch wie im Kern der Sonne), wodurch die Elektronen gezwungen werden, sich von ihren Atomkernen zu trennen. Der Prozess findet in einer ringförmigen Struktur statt, die «Tokamak» genannt wird.
«Um ein Plasma für die Fusion zu erzeugen, müssen drei Dinge beachtet werden: hohe Temperatur, hohe Dichte des Wasserstoffbrennstoffs und guter Einschluss», sagt Paolo Ricci vom Swiss Plasma Center, einem der weltweit führenden Forschungsinstitute für Fusion an der EPFL.
Im Rahmen einer grossen europäischen Zusammenarbeit hat Riccis Team nun eine Studie veröffentlicht, die ein grundlegendes Prinzip der Plasmaerzeugung aktualisiert und zeigt, dass der künftige ITER-Tokamak tatsächlich mit der doppelten Menge an Wasserstoff betrieben werden kann und somit mehr Fusionsenergie erzeugt als bisher angenommen.
«Eine der Grenzen bei der Erzeugung von Plasma in einem Tokamak ist die Menge an Wasserstoffbrennstoff, die man einspritzen kann», sagt Ricci, «seit den Anfängen der Fusion wissen wir, dass es bei einer Erhöhung der Brennstoffdichte irgendwann zu einer sogenannten ‹Störung›󠅒 kommt – im Grunde verliert man den Einschluss völlig, und das Plasma fliesst überall hin. In den achtziger Jahren versuchte man daher, eine Art Gesetz zu finden, das die maximale Dichte von Wasserstoff vorhersagen konnte, die man in einen Tokamak einbringen kann.»
Die Antwort kam 1988, als der Fusionsforscher Martin Greenwald ein berühmtes Gesetz veröffentlichte, das die Brennstoffdichte mit dem kleinen Radius des Tokamaks (dem Radius des inneren Kreises des Donuts) und dem Strom, der im Plasma innerhalb des Tokamaks fliesst, in Beziehung setzt. Seitdem ist die «Greenwald-Grenze» ein grundlegendes Prinzip der Fusionsforschung; die Tokamak-Baustrategie von ITER basiert sogar darauf.
«Greenwald leitete das Gesetz empirisch ab, d. h. vollständig aus experimentellen Daten – nicht aus einer geprüften Theorie oder dem, was wir als ‹erste Prinzipien›󠅒 bezeichnen würden», erklärt Ricci. «Dennoch funktionierte der Grenzwert ziemlich gut für die Forschung. Und in einigen Fällen, wie bei DEMO (dem Nachfolger von ITER), stellt diese Gleichung eine unüberschreitbare Grenze für den Betrieb dar, weil sie besagt, dass man die Brennstoffdichte nicht über ein bestimmtes Niveau hinaus erhöhen kann.»
In Zusammenarbeit mit anderen Tokamak-Teams entwarf das Swiss Plasma Center ein Experiment, bei dem es möglich war, die Menge des in einen Tokamak eingespritzten Brennstoffs mit Hilfe hochentwickelter Technologie präzise zu steuern. Die umfangreichen Experimente wurden in den grössten Tokamaks der Welt, dem Joint European Torus (JET) in Grossbritannien, dem ASDEX Upgrade in Deutschland (Max-Plank-Institut) und dem TCV-Tokamak der EPFL durchgeführt. Ermöglicht wurde dieser grosse experimentelle Aufwand durch das EUROfusion-Konsortium, die europäische Organisation, die die Fusionsforschung in Europa koordiniert und an der die EPFL nun über das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Deutschland beteiligt ist.
Zur gleichen Zeit begann Maurizio Giacomin, Doktorand in Riccis Gruppe, die physikalischen Prozesse zu analysieren, die die Dichte in Tokamaks begrenzen, um ein Gesetz nach ersten Prinzipien abzuleiten, das die Brennstoffdichte und die Tokamak-Größe miteinander in Beziehung setzen kann. Dazu wurde eine fortgeschrittene Simulation des Plasmas mit Hilfe eines Computermodells durchgeführt.
«Die Simulationen nutzen einige der grössten Computer der Welt, wie sie vom CSCS, dem Swiss National Supercomputing Center, und von EUROfusion zur Verfügung gestellt werden», sagt Ricci, «und was wir durch unsere Simulationen herausgefunden haben, ist, dass sich Teile des Plasmas von der äusseren kalten Schicht des Tokamaks, dem Rand, zurück in den Kern bewegen, wenn man mehr Brennstoff hinzufügt, weil das Plasma turbulenter wird. Im Gegensatz zu einem elektrischen Kupferdraht, der bei Erwärmung widerstandsfähiger wird, werden Plasmen widerstandsfähiger, wenn sie abkühlen. Je mehr Brennstoff man also bei gleicher Temperatur einbringt, desto mehr Teile kühlen ab – und desto schwieriger wird es für den Strom, im Plasma zu fliessen, was möglicherweise zu einer Unterbrechung führt.»
Dies zu simulieren war eine Herausforderung: «Die Turbulenz in einer Flüssigkeit ist eigentlich die wichtigste offene Frage in der klassischen Physik», sagt Ricci, «aber die Turbulenz in einem Plasma ist noch komplizierter, weil man auch elektromagnetische Felder hat.»
Schliesslich gelang es Ricci und seinen Kollegen, den Code zu knacken und eine neue Gleichung für die Brennstoffgrenze in einem Tokamak aufzustellen, die sehr gut mit den Experimenten übereinstimmt. Die in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Gleichung wird Greenwalds Grenzwert gerecht, da sie ihm sehr nahe kommt, ihn aber in wesentlichen Punkten aktualisiert.
Die neue Gleichung besagt, dass die Greenwald-Grenze in Bezug auf den Brennstoff in ITER fast um das Zweifache angehoben werden kann; das bedeutet, dass Tokamaks wie ITER tatsächlich fast die doppelte Menge an Brennstoff verwenden können, um Plasmen zu erzeugen, ohne dass man sich Sorgen um Störungen machen muss. «Das ist wichtig, weil es zeigt, dass die Dichte, die man in einem Tokamak erreichen kann, mit der Leistung, die man für den Betrieb benötigt, zunimmt», sagt Ricci, «DEMO wird mit einer viel höheren Leistung betrieben als die derzeitigen Tokamaks und ITER, was bedeutet, dass man mehr Brennstoffdichte hinzufügen kann, ohne die Leistung zu begrenzen, im Gegensatz zum Greenwald-Gesetz. Und das ist eine sehr gute Nachricht.»