Ein koreanischer Kernfusionsreaktor erreicht 30 Sekunden lang 100 Millionen Grad Celsius

Ein kontinuierliches und stabiles Experiment ist der jüngste Beweis dafür, dass sich die Kernfusion von einem Problem der Physik zu einem technischen Problem entwickelt

Physik

7. September 2022

von Matthäus Sparks

Die Kernfusionsreaktion dauerte 30 Sekunden bei Temperaturen über 100 Millionen Grad Celsius. Während Dauer und Temperatur allein nicht punkten, bringt uns das gleichzeitige Erreichen von Wärme und Stabilität einem brauchbaren Fusionsreaktor einen Schritt näher – solange die verwendete Technologie skaliert werden kann.

Die meisten Wissenschaftler sind sich einig, dass eine brauchbare Fusionskraft noch Jahrzehnte entfernt ist, aber es werden weiterhin schrittweise Fortschritte im Verständnis und in den Ergebnissen erzielt. Ein Versuch im Jahr 2021 erzeugte eine Reaktion, die energetisch genug ist, um sich selbst zu erhalten.Konzeptentwürfe für einen kommerziellen Reaktor werden ausgearbeitet, während die Arbeiten am großen experimentellen Fusionsreaktor ITER in Frankreich fortgesetzt werden.

Jetzt ist es Yong-Su Na von der Seoul National University in Südkorea und seinen Kollegen gelungen, die Reaktion bei den extrem hohen Temperaturen durchzuführen, die für einen funktionsfähigen Reaktor erforderlich wären, und den Zustand der im Gerät erzeugten heißen ionisierten Materie 30 Jahre lang stabil zu halten Sekunden.

Die Kontrolle des sogenannten Plasmas ist lebenswichtig. Wenn es die Wände des Reaktors berührt, kühlt es schnell ab, erstickt die Reaktion und verursacht erhebliche Schäden an der Kammer, in der es sich befindet. Forscher verwenden normalerweise verschiedene Formen von Magnetfeldern, um das Plasma einzudämmen – einige verwenden eine Kantenübertragungsbarriere (ETB), die das Plasma mit einem scharfen Druckabfall in der Nähe der Reaktorwand formt, ein Zustand, der verhindert, dass Wärme und Plasma entweichen. Andere verwenden eine interne Transferbarriere (ITB), die nahe dem Zentrum des Plasmas einen höheren Druck erzeugt. Aber beides kann zu Instabilität führen.

Das Na-Team verwendete eine modifizierte ITB-Technik am Korea Advanced Research Supraleitenden Tokamak (KSTAR)-Instrument und erreichte eine viel geringere Plasmadichte. Ihr Ansatz scheint die Temperaturen im Plasmakern zu erhöhen und an der Spitze zu senken, was zu einer längeren Lebensdauer der Reaktorkomponenten führen könnte.

Um die Leistung eines Reaktors zu erhöhen, sagt Dominic Power vom Imperial College London, kann man das Plasma sehr heiß machen, es sehr dicht machen oder die Einschlusszeit verlängern.

„Dieses Team entdeckte, dass die Einschlussdichte tatsächlich etwas niedriger ist als bei herkömmlichen Betriebsmodi, was nicht unbedingt eine schlechte Sache ist, weil es durch höhere Temperaturen im Kern kompensiert wird“, sagt er. “Es ist definitiv aufregend, aber es gibt eine Menge Unsicherheit darüber, wie gut wir die Physik im größeren Instrumentenmaßstab verstehen. Also wird etwas wie ITER viel größer sein als KSTAR.”

Na sagt, dass die geringere Dichte der Schlüssel war und dass „schnelle“ oder aktivere Ionen im Plasmakern – die sogenannte Fast Ion Ordering Enhancement (FIRE) – ein wesentlicher Bestandteil der Stabilität sind. Aber das Team versteht die beteiligten Mechanismen noch nicht vollständig.

Die Reaktion wurde aufgrund von Hardwarebeschränkungen bereits nach 30 Sekunden gestoppt, und es wird davon ausgegangen, dass in Zukunft längere Zeiträume möglich sein werden. KSTAR hat jetzt für Updates geschlossen, bei denen die Kohlenstoffkomponenten an der Reaktorwand durch Wolfram ersetzt wurden, was laut Na die Reproduzierbarkeit der Experimente verbessern wird.

Die Physik von Fusionsreaktoren sei inzwischen gut verstanden, sagt Lee Margetts von der University of Manchester, UK, aber es seien noch technische Hürden zu überwinden, bevor ein funktionierendes Kraftwerk gebaut werden könne. Ein Teil davon wird die Entwicklung von Möglichkeiten sein, Wärme aus dem Reaktor zu entnehmen und zur Stromerzeugung zu nutzen.

„Das ist keine Physik, das ist Technik“, sagt er. „Wenn Sie das nur aus der Sicht eines Gas- oder Kohlekraftwerks betrachten, wenn Sie nichts haben, was die Wärme wegnimmt, werden die Leute, die es betreiben, sagen: ‚Wir müssen es abschalten, weil es wird zu heiß und es wird das Kraftwerk schmelzen,’ und genau das ist hier der Fall.” .

Brian Appleby vom Imperial College London stimmt zu, dass die verbleibenden wissenschaftlichen Herausforderungen in der Fusionsforschung erreichbar sein müssen und dass FIRE ein Schritt nach vorne ist, aber dass die Kommerzialisierung schwierig sein wird.

“Der Ansatz der magnetischen Einschlussfusion hat eine sehr lange Entwicklungsgeschichte, um das nächste Problem zu lösen, auf das er stößt”, sagt er. „Aber was mich irgendwie nervös oder unsicher macht, sind die technischen Herausforderungen, ein darauf basierendes wirtschaftliches Kraftwerk zu bauen.“

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