Kernfusion: brennende Fragen zur Kontrolle von "brennenden Plasmen"

26.10.2018 - USA

Was braucht es, um den Energiebedarf der Welt nachhaltig und weit in absehbarer Zeit zu decken? Vielleicht wird Energie so erzeugt wie die Sonne, durch Kernfusion.

Spaltung und Fusion sind sehr unterschiedliche Kernreaktionen, so Eugenio Schuster, Professor am Institut für Maschinenbau und Mechanik der Lehigh University. Die Spaltung, die die Art von Kernenergie erzeugt, die seit den 1950er Jahren von Reaktoren hier auf der Erde erzeugt wird, besteht darin, die Kerne von sehr schweren Elementen wie Uran und Plutonium zu spalten, die eine Kettenreaktion auslösen, die schwer zu verlangsamen ist, und zwar aus den Gründen, warum sie gefährlich sein kann.

Die Kernfusion hingegen ist eine sehr schwierige Reaktion auf Anregung und Aufrechterhaltung. Die Sonne erzeugt Energie - in Form von Licht und Wärme - durch das Verschmelzen von Wasserstoffatomen, dem leichtesten Gas, und nutzt seine massive Gravitationskraft, um das Wasserstoffgas lange genug zu begrenzen, damit die Kernreaktion stattfinden kann.

Auf der Erde glauben viele Wissenschaftler, dass der vielversprechendste Weg zur Energieerzeugung durch Kernfusion ein Weg ist, der Wärme nutzt, um eine ähnliche Reaktion auszulösen. Bei diesem Verfahren werden zwei Isotope aus Wasserstoff, Deuterium und Tritium kombiniert, indem sie auf 100 Millionen Kelvin erhitzt werden - etwa sechsmal so heiß wie der Sonnenkern. Die kinetische Energie dieser Isotope wird durch Erwärmung erhöht, so dass sie die Abstoßungskraft durch die positiven Ladungen (Protonen) in den Kernen überwinden und fusionieren können. Mit Hilfe von Magnetfeldern schränken Wissenschaftler die entstehende Substanz ein, die nicht mehr ein Gas, sondern ein Plasma ist. Das "brennende Plasma", wie es bekannt ist, ist in einem toroidalen Apparat eingeschlossen: dem Tokamak, einem russischsprachigen Akronym, das übersetzt "toroidale Kammer mit Magnetspulen" bedeutet.

Schuster, ein Experte für die Kontrolle von Kernfusionsplasmen, arbeitet an Möglichkeiten zur Kontrolle und Stabilisierung des erwärmten Plasmas.

"Wir sind Plasmadynamiker", beschreibt Schuster die Rolle von Forschern wie ihm auf dem Weg zur Realisierung der Kernfusionsenergie. "Was wir tun, ist zu versuchen, die Dynamik des Plasmas zu verstehen und Gleichungen zu finden, um sein Verhalten zu modellieren, insbesondere als Reaktion auf verschiedene Arten von Stellgliedern. Aber wir hören damit nicht auf. Wir wollen die Betätigung modifizieren, um die gewünschte Dynamik zu erzeugen. Wir wollen die Kontrolle und Stabilität des brennenden Plasmas."

Jüngste Arbeiten von Mitgliedern des Lehigh's Plasma Control Laboratory unter der Leitung von Prof. Schuster werden diese Woche auf der 27. Fusionskonferenz der International Atomic Energy Agency (IAEA) in Gandhinagar, Indien, vorgestellt. Ihre erste Arbeit mit dem Titel "Physics-model-based Real-time Optimization for the Development of Steady-state Scenarios at DIII-D" diskutiert aktuelle experimentelle Ergebnisse, die die Wirksamkeit eines modellbasierten Echtzeit-Optimierungsschemas demonstrieren, um die gewünschten fortgeschrittenen Szenarien zu vordefinierten Zeiten konsequent zu erreichen. Die Arbeiten wurden in der DIII-D National Fusion Facility durchgeführt, die bei General Atomics, einem privaten Technologieunternehmen in San Diego, Kalifornien, untergebracht ist.

Laut Schuster deuten die Ergebnisse darauf hin, dass eine kontrollorientierte, modellbasierte Szenarioplanung in Kombination mit Echtzeitoptimierung eine entscheidende Rolle bei der Erforschung der Stabilitätsgrenzen fortgeschrittener stationärer Szenarien spielen kann.

Ihr zweites Werk mit dem Titel "Robust Burn Control in ITER Under Deuterium-Tritium Concentration Variations in the Fueling Lines" beschäftigt sich mit der Frage, wie die Fusionskraft eines brennenden Plasmas gesteuert werden kann, wenn unmessbare Schwankungen der Deuterium-Tritium-Konzentrationen in der Tankleitung vorliegen.

In dieser Arbeit ist die Spulenstrommodulation im Behälter in das Steuerschema integriert und wird in Verbindung mit der Hilfsleistungsmodulation, der Kraftstoffmengenmodulation und der Verunreinigungseinspritzung verwendet, um eine nichtlineare Verbrennungssteuerung zu entwerfen, die robust gegenüber Schwankungen der Deuterium-Tritium-Konzentrationen der Kraftstoffleitungen ist.

Diese Steuerung löst eines der grundlegendsten Steuerungsprobleme, die bei Brennplasma-Tokamaks auftreten, nämlich die Regelung der Plasmatemperatur und -dichte, um eine bestimmte Menge an Fusionsenergie zu erzeugen und gleichzeitig mögliche thermische Instabilitäten zu vermeiden. Eine nichtlineare Simulationsstudie veranschaulicht die erfolgreiche Steuerungsleistung in einem ITER-ähnlichen Szenario, in dem unbekannte Variationen der Deuterium-Tritium-Konzentration der Betankungsleitungen nachgebildet werden.

Schuster und sein Team arbeiten an mehreren nationalen und internationalen Kooperationen und führen regelmäßig Experimente an einer Reihe von Tokamaks auf der ganzen Welt durch. Dazu gehören DIII-D bei General Atomics, wo einer seiner Doktoranden und ein Postdoktorand dauerhaft stationiert sind, NSTX-U am Princeton Plasma Physics Laboratory in Princeton, New Jersey, wo einer seiner ehemaligen Doktoranden eine führende Rolle in der Plasmaüberwachung spielt, EAST in China, KSTAR in Südkorea und ITER in Frankreich.

Schuster, ein Postdoc, und vier seiner Doktoranden werden Anfang November an der 60. Jahrestagung der APS Division of Plasma Physics in Portland, Oregon, teilnehmen, wo sie Arbeiten aus diesen Kooperationen vorstellen werden.

Schuster wird zum ITER-Fellow ernannt

Der International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) ist ein Kernfusions-Tokamak, der in Südfrankreich als Ergebnis einer beispiellosen Zusammenarbeit von Regierungen auf der ganzen Welt gebaut wird. Es ist eine globale Zusammenarbeit, die darauf abzielt, "das größte Tokamak der Welt zu bauen, ein magnetisches Fusionsgerät, das entwickelt wurde, um die Machbarkeit der Fusion als großflächige und kohlenstofffreie Energiequelle zu beweisen, die auf dem gleichen Prinzip basiert, das unsere Sonne und Sterne antreibt". Das ITER-Projekt ist eine Zusammenarbeit von 35 Nationen, die von ITER-Mitgliedern geleitet wird: China, die Europäische Union, Indien, Japan, Korea, Russland und die Vereinigten Staaten.

Schuster, der derzeit als Leiter der Operations and Control Topical Group innerhalb der U.S. Burning Plasma Organization (BPO) tätig ist, wurde kürzlich in das renommierte ITER Scientist Fellows Network aufgenommen, das darauf abzielt, die Beteiligung der Fusionsgemeinschaft bei der Vorbereitung des ITER auf seine Betriebsphase zu stärken. Die Mitglieder des ITER Scientist Fellows Network arbeiten eng miteinander und mit dem ITER zusammen, um wichtige Fragen der Forschung und Entwicklung anzugehen.

Das U.S. Department of Energy ernannte Schuster auch zum Mitglied der ITER Integrated Operation Scenarios Topical Group innerhalb von ITPA: Internationale Tokamak Physikalische Aktivität (ITPA). Die Themengruppe Integrierte Operationsszenarien soll dazu beitragen, Betriebsszenarien für brennende Plasmaversuche zu etablieren, insbesondere Kandidatenszenarien im ITER.

"Derzeit produzieren Kernfusionsreaktoren keine Energie", sagt Schuster. "Die Experimente an Tokamaks auf der ganzen Welt konzentrieren sich auf das Studium der Physik des Plasmas."

ITER möchte der erste Tokamak sein, der Nettoenergie durch Kernfusion effizient genug produziert, damit die Reaktion langfristig aufrechterhalten werden kann - und zu einer zuverlässigen Energiequelle wird. Das Ziel, so Schuster, sei es, zehnmal mehr Energie zu produzieren, als in den Tokamak eingespritzt wird.

Obwohl die Forscher seit mehr als sechzig Jahren versuchen, das Versprechen der Kernfusion zu verwirklichen, glaubt Schuster, dass sie vielleicht viel näher kommen. Das erste Plasma des ITER ist für 2025 geplant.

"Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen verursacht die Kernfusion keine Luftverschmutzung und keine Treibhausgase", sagt Schuster. "Im Gegensatz zur Kernspaltung birgt die Kernfusion kein Risiko eines nuklearen Unfalls, keine Erzeugung von Material für Atomwaffen und schwach radioaktiven Abfall."

Mit anderen Worten, die Arbeit, die Schuster und seine Kollegen am ITER und anderen Einrichtungen leisten, könnte dazu beitragen, uns einer kohlenstofffreien, verbrennungsfreien Zukunft näher zu bringen, in der der Energiebedarf der Welt durch eine nahezu unbegrenzte Quelle gedeckt wird - wie die Sonne.

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