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Fusion Energiebedarf senken. Physiker des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), einem Labor des US-Energieministeriums, haben einen möglichen theoretischen Weg identifiziert, um die für die Zündung der Kernfusion erforderliche Energie zu verringern: das Brennstoffmaterial vor der Erhöhung seiner Dichte aufzuheizen.
Die in Physical Review Letters veröffentlichte Forschung schlägt vor, die Sequenz zu ändern, mit der die Bedingungen erreicht werden, unter denen die Reaktionen genügend Wärme erzeugen, um sich ohne externe Heizung selbst aufrechtzuerhalten. Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono und Jonathan Menard haben eine umfassendere Version des Lawson-Kriteriums entwickelt, der Beziehung, die seit über siebzig Jahren zur Bewertung der Bedingungen für eine selbsttragende Fusion verwendet wird.
Fusion Energiebedarf senken: Warum das wichtig ist
Das Kriterium setzt Temperatur, Dichte und Einschlusszeit der Energie in Bezug, gibt aber nicht an, welcher Weg weniger Energie erfordert, um die Zündung zu erreichen. Der Brennstoff liegt im Zustand des Plasmas vor, einem ionisierten Gas, das elektrisch geladene Teilchen enthält. Laut den Berechnungen der Forscher kann es einen hohen Energiebedarf verursachen, wenn zuerst die Dichte erhöht und dann die notwendige Wärme zugeführt wird.
Das Umkehren der Reihenfolge – zunächst das Plasma aufzuheizen und es anschließend dichter zu machen – würde es hingegen ermöglichen, die gewünschten Bedingungen über einen weniger kostspieligen Weg zu erreichen. Die für den Start der Fusion benötigte Energie könnte also von der Reihenfolge abhängen, in der das Plasma erhitzt und komprimiert wird.
Im Modell erscheint ein Element namens Cordey-Sattelpunkt, der sich entlang der Grenze zwischen Bedingungen befindet, die noch externe Heizung erfordern, und solchen, die mit selbsttragenden Reaktionen kompatibel sind. Delgado-Aparicio beschreibt die Situation anhand eines bergigen Geländes: Anstatt den höchsten Gipfel zu erklimmen, nutzt der vorgeschlagene Weg einen niedrigeren Pass, um dasselbe Ziel zu erreichen.
Zum Vergleich verschiedener Ansätze verwendet die Gruppe den Q-Faktor, also das Verhältnis zwischen der von Fusionsreaktionen erzeugten Leistung und der dem Plasma über externe Heizung zugeführten Leistung. Ein Wert von Q = 5 bedeutet, dass die erstgenannte fünfmal höher ist als die zweitgenannte. Im idealisierten Fall reinen Brennstoffs liegt der Cordey-Sattelpunkt ungefähr bei diesem Wert; Verunreinigungen und starke Magnetfelder können ihn zu höheren Q-Werten verschieben.
Was ändert sich und welche Effekte gibt es?
Die neue Formulierung berücksichtigt vier zusätzliche Faktoren, die die Leistung beeinflussen, und betrachtet physikalische Prozesse gemeinsam, die oft separat analysiert werden. Das Ziel ist es, die Bewertung von Projekten für Reaktoren mit magnetischem Einschluss vor deren Bau zuverlässiger zu machen: Laut Ono kann die Einbeziehung dieser Effekte das Urteil über die für die Zündung notwendigen Bedingungen verändern.
Das Ergebnis stammt aus theoretischen Berechnungen und nicht aus einer neuen experimentellen Zündung. Die Angaben gelten sowohl für Tokamaks als auch für Stellaratoren, die beiden Familien von Geräten, die starke Magnetfelder verwenden, um den heißen Brennstoff einzuschließen. Das PPPL ordnet diese Arbeit in sein Forschungsprogramm zu zukünftigen Fusions-Pilotkraftwerken ein: Das Modell bietet Designern ein Werkzeug, um Heiz- und Kompressionsstrategien zu vergleichen und potenziell kostspielige Energieanforderungen vor der Errichtung der Anlagen zu identifizieren.
Quelle und weiterführende Informationen zu Fusion Energiebedarf senken: Originalartikel.
* Inhalt mit Unterstützung von Künstlicher Intelligenz erstellt.