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Inhalt archiviert am 2023-03-02

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Forscher entwickeln einen Code, um die Plasmastabilität im ITER-Reaktor sicherzustellen

Forscher des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik haben einen speziellen Code entwickelt, um die Kink-Instabilitäten im Testreaktor des Projekts Internationaler Thermonuklearer Versuchsreaktor (ITER) zu berechnen. Dieser Code soll die Stabilität des Reaktors sicherstellen. ...

Forscher des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik haben einen speziellen Code entwickelt, um die Kink-Instabilitäten im Testreaktor des Projekts Internationaler Thermonuklearer Versuchsreaktor (ITER) zu berechnen. Dieser Code soll die Stabilität des Reaktors sicherstellen. In dem Fusionstestreaktor, der in Cadarache in Südfrankreich angesiedelt wird, soll versucht werden, auf der Erde die Kernreaktionen zu reproduzieren, die der Sonne und andere Sternen Energie liefern. Um diese Energie zu produzieren, muss im Reaktor Wasserstoffplasma auf Temperaturen von über 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Über längere Zeit könnte der Reaktor eine Fusionsleistung von etwa 500 Megawatt liefern. Da die Temperatur des Plasmas so hoch sein wird, muss es in ein Magnetfeld eingeschlossen werden, damit jeder Kontakt mit der Gefäßwand vermieden wird. Das Wechselspiel der Plasmateilchen im magnetischen Käfig kann jedoch zu Ausbeulungen und Dellen (Kinks) an der Außenseite des magnetischen Felds führen. Diese Kinks behindern den Einschluss des Plasmas und senken damit die Fusionsausbeute. Bei ITER würden sie nach den Berechnungen der Forscher genau in den Plasmazuständen auftreten, auf die man bei der Entwicklung eines dauerbetriebsfähigen Reaktors setzt. Es sind jedoch unterschiedliche Gegenmaßnahmen möglich: Zum einen kann eine supraleitende Wand eingesetzt werden, die das Plasma stabilisieren kann und bei der sich die Kinks gar nicht erst ausbilden. Eine weitere Möglichkeit ist eine "normale" Stahlwand, die die Ausbildung der Kink-Instabilitäten immerhin noch abbremsen kann - von Mikro- auf Millisekunden. Der Prozess wird damit langsam genug, dass ein automatisches Feedback-System eingreifen kann. Schwache elektrische Kontrollströme, die in kleinen, an der Wand befestigten Magnetspulen fließen, können die Beulen und Dellen bereits vor dem Anwachsen einfangen und auflösen. Damit diese Maßnahmen effektiv sind, müssen die Forscher die Vorgänge jedoch präzise beschreiben und berechnen können. Hier kommt der neu entwickelte Starwall-Code zum Einsatz. Er beschreibt erstmals Plasma und Gefäßwände in allen drei Raumdimensionen. Bisher genügte es, nur zwei Raumdimensionen zu berechnen. Das ringförmige Plasmagefäß, der magnetische Ringkäfig und das Plasma haben eine axialsymmetrische Gestalt und beim Umlaufen um diesen Ring gibt es keine Änderungen. Will man aber die elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen dem Plasma und der Gefäßwand beschreiben, ist zu berücksichtigen, dass die Wand nicht überall gleich ist. Beispielsweise besitzt sie an einigen Stellen große Öffnungen, die das Plasma für Heizungen, Pumpen und Messgeräte zugänglich machen. Für das genaue Berechnen der Kink-Instabilitäten sind deshalb alle drei Raumdimensionen erforderlich. Der neue Code kann dazu beitragen sicherzustellen, dass die richtigen Stabilitätsprozesse verwendet werden. Es wurde bereits berechnet, dass der ITER-Reaktor mit einem Plasmadruck, der 50 % höher liegt als ohne Stabilisierung, stabil bleiben könnte.