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Chinas Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), im Volksmund oft als „künstliche Sonne“ bezeichnet, hat einen wichtigen Meilenstein in der Fusionsforschung erreicht: Er operierte jenseits einer langjährigen Grenze für die Plasmadichte. Das Ergebnis, berichtet von Forschenden am Institute of Plasma Physics der Chinese Academy of Sciences und veröffentlicht in Science Advances, eröffnet neue Ansätze für den Bau leistungsfähigerer Fusionsreaktoren. Diese Entwicklung ist sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die technologische Entwicklung von entscheidender Bedeutung, denn sie zeigt Wege auf, wie betriebstechnische Grenzen verschoben werden können, ohne sofortige, drastische Änderungen am Reaktordesign vorzunehmen.
Die Grenze der Plasmadichte durchbrechen: Was sich verändert hat
In Tokamaks spielt die Plasmadichte eine zentrale Rolle: Je dichter das Plasma, desto höher die Wahrscheinlichkeit für Kernfusionsreaktionen pro Volumeneinheit. Die Erhöhung der Dichte ist daher ein direkter Hebel zur Steigerung der Fusionsleistung. Allerdings führt ein höherer Dichtebetrieb in vielen Experimenten typischerweise zu Instabilitäten, die das Plasma zum Kontakt mit den Gefäßwänden treiben und damit die Einschließung beenden. Diese empirische Grenze wird häufig mit der sogenannten Greenwald-Grenze in Verbindung gebracht, einer praxisorientierten Faustregel, die Magneteinschließungs-Experimente über Jahrzehnte begrenzt hat. Die Greenwald-Grenze wird typischerweise durch eine relationale Formel beschrieben, die den maximalen Leitplasmadichte-Rahmen in Bezug auf den Plasmastrom und die Geometrie des Tokamaks setzt; sie dient als Referenzpunkt für Betriebsfenster in zahlreichen Geräten.
Die EAST-Forschergruppe stellte die Annahme infrage, dass allein die absolute Dichte den kritischen Schwellenwert bestimmt. Stattdessen identifizierten sie einen anderen, oft unterschätzten Faktor: Verunreinigungen, insbesondere Metallatome, die durch Sputtern aus der inneren Wandverkleidung in das Plasma gelangen. Wolfram (W), ein Material mit sehr hohem Schmelzpunkt, das wegen seiner Hitzebeständigkeit weit verbreitet als plasmaexponiertes Material verwendet wird, erwies sich als bedeutende Quelle für Kontaminationen. Hoch-Z-Atome wie Wolfram wirken im Plasma besonders schädlich, weil sie stark strahlen und so die Temperatur in der Plasmakante abkühlen können. Diese Abkühlung verschlechtert die Stabilität der Randregion, erhöht die Neigung zu sogenannten Disruptionen und kann die Ansammlung von Verunreinigungen im Kern fördern, was die Fusionsleistung weiter mindert.
Wie EAST Verunreinigungen zähmte und die Leistung steigerte
Die Forschenden entwickelten ein neues theoretisches Modell namens Boundary Plasma-Wall Interaction Self-Organization (PWSO), um die Selbstorganisation der Plasma-Randschicht und die Wechselwirkung mit Wandmaterialien unter variierenden Betriebsbedingungen zu beschreiben. PWSO betrachtet nicht nur lokale Prozesse wie Sputtern oder Rekombination, sondern auch makroskopische Rückkopplungsmechanismen zwischen Randprofilen, Scherraten und Materialabtrag. Auf Basis dieses Modells passte das Team die Aufheiz- und Startsequenz auf EAST an: Sie kombinierten elektronische Zyklotronresonanzheizung (ECRH oder auf Deutsch Ezyklotronresonanzheizung) mit einem vorab eingefüllten Gas-Startverfahren (pre-charged gas startup), um die Kantenstruktur des Plasmas gezielt zu formen und den Zufluss von Wolfram zu reduzieren. Durch gezielte Steuerung von Randtemperatur, Dichteprofilen und elektrischen Potentialen ließen sich Sputterraten senken und mechanische sowie elektrische Wechselwirkungen zwischen Plasma und Wand günstig beeinflussen.
Mit kontrollierten Verunreinigungsniveaus trat EAST in einen von den Forschenden als „density free zone“ beschriebenen Betriebsbereich ein — ein Regime, in dem das Plasma höhere Dichten erreichen kann, ohne die typisch mit der traditionellen Grenze assoziierten disruptiven Ereignisse auszulösen. Messdaten aus einer Vielzahl diagnostischer Systeme wie sichtbarer und ultravioletter Emissionsspektroskopie, Bolometrie, Strahlungsleistungsmessungen und Thomson-Streumessungen stimmten eng mit den Vorhersagen des PWSO-Modells überein. Dieses enge Mapping stärkt die These, dass wandbedingte Verunreinigungen und deren Quellstärke die praktischen Betriebsgrenzen stärker definieren als die absolute Dichte allein. Zudem liefert es Hinweise darauf, wie Aktionsstrategien zur Impurity-Control die operative Robustheit signifikant erweitern können.
Warum das für die Entwicklung der Fusion wichtig ist
Die Kontrolle von Verunreinigungen ist ein praktischer und oft kosteneffizienter Hebel für das Design zukünftiger Tokamaks. Wenn sich durch konsequentes Impurity-Management der nutzbare Dichtebereich zuverlässig erweitern lässt, können Reaktoren bei gleichem Volumen mehr Fusionsreaktionen erzeugen und somit die spezifische Leistungsdichte erhöhen. Das wirkt sich positiv auf die ökonomische Attraktivität und auf die Größenordnung kommender Demonstrationsreaktoren (DEMO) aus. Zudem sind viele heutige Designs, die sich auf supraleitende Magnete und langlebigen Pulsbetrieb stützen, besonders sensibel gegenüber Plasmaverunreinigungen: Langzeitbetrieb erfordert stabile Randbedingungen, geringe Wandabtragung und effiziente Partikelpumpkapazitäten. Erkenntnisse wie jene aus EAST helfen, diese engineeringtechnischen Herausforderungen schrittweise zu lösen und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit vorhandener Magnetkonzepte zu nutzen.
Die praktischen Implikationen reichen von konkreten Betriebsrezepten bis hin zu materialwissenschaftlichen und strukturellen Entscheidungen: Wahl und Behandlung von plasmaexponierten Materialien (zum Beispiel Beschichtungen wie Lithium- oder Kohlenstoffschichten), Divertor-Geometrien, aktive Kühlungslösungen, sowie Echtzeit-Überwachung und Regelung der Plasmakante. In diesem Kontext können sauberere Plasma-Ränder genauso wichtig werden wie stärkere Magnetfelder in dem Wettlauf um netto-positive Fusionsenergie. Diese Kombination aus Betriebsführung, Materialtechnik und modellgestützter Vorhersagebildung setzt neue Prioritäten bei der Planung von Demonstrations- und späteren kommerziellen Anlagen.
Die EAST-Forscher betonen, dass die Ergebnisse handlungsorientierte Leitlinien für die nächste Gerätegeneration liefern, die auf supraleitenden Magneten und Langzeitbetrieb angewiesen sind. Implizit werden Beziehungen zwischen Schlüsselkonzepten klarer: Plasmadichte, Impurity-Source-Management, Randstabilität, Divertor-Entkopplung und Materialauswahl stehen in direkter Wechselwirkung. Das PWSO-Modell hilft, diese Entitäten konsistent zu benennen und ihre Abhängigkeiten quantitativ zu fassen, was die Übersetzung von Laborbefunden in Designprinzipien für DEMO-Anlagen erleichtert.
Die Forschung an EAST ist Teil eines breiteren internationalen Kontexts, in dem Geräte wie JET, ASDEX Upgrade, DIII-D, KSTAR und das kommende ITER-Projekt ähnliche Herausforderungen adressieren. Durch vergleichende Experimente und den Austausch von Best Practices — beispielsweise in den Bereichen ECRH-Einsatz, Gas-Startprotokolle, Divertor-Betrieb und Materialtests — lassen sich gemeinsame Lösungsstrategien entwickeln. Ziel ist es, robuste Betriebsfenster zu definieren, die langfristig eine reproduzierbare, skalierbare und wirtschaftlich tragfähige Fusionsleistung ermöglichen.
Zur weiteren Validierung und Verfeinerung von PWSO planen die Forschenden zusätzliche Experimente, erweiterte Diagnostik und Simulationsstudien. Wichtige Arbeitspunkte sind die detaillierte Quantifizierung von Sputterraten unter verschiedenen Randbedingungen, das Verhalten hoch-Z-Verunreinigungen im Übergangsbereich zwischen Rand und Kern, sowie Strategien zur aktiven Rückhaltung oder Ausleitung von Fremdpartikeln. Parallel dazu werden Regelalgorithmen zur Echtzeitsteuerung entwickelt, die auf Sensordaten basieren und die Plasmakanten in einem optimalen Betriebsfenster halten sollen. Insgesamt zielen diese Aktivitäten darauf ab, Laborerfolge in konkrete Designs und Betriebspraktiken für Demonstrationsanlagen und schließlich kommerzielle Kraftwerke zu überführen.
Quelle: gizmochina
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