Forschern gelingt erstaunlicher Blick ins Chaos von Fusionsreaktoren

Das Innere eines Fusionsreaktors zählt zu den extremsten Um­ge­bun­gen, die die moderne Physik kennt. Dennoch ist es Forschenden gelungen, einen genaueren Blick auf die Prozesse im Inneren zu werfen - mit überraschenden Ergebnissen.

Turbulenzen sind nicht nur Störquellen

Bei der Kernfusion wird ein heißes Plasma erzeugt, in dem leichte Teilchen miteinander verschmelzen und große Energiemengen freisetzen. Dabei entstehen zwangsläufig Turbulenzen: wellenartige Schwankungen im Plasma, die lange Zeit vor allem als Störfaktor galten. Sie transportieren Wärme und Teilchen nach außen und können so wertvolle Energie aus dem Reaktorinneren abführen, was im Grunde einen Nachteil für die Effizienz künftiger Fusionskraftwerke darstellt.

Ein Forschungsteam des japanischen National Institute for Fusion Science (NIFS) hat diese Turbulenzen nun erstmals detailliert vermessen. Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Communications Physics, zeigen, dass Turbulenz im Plasma eine deutlich komplexere Rolle spielt als bislang angenommen. Sie wirkt nicht nur als Transportmechanismus, sondern übernimmt gleich zwei Funktionen: als Vermittler und als Träger von Wärme.


In Experimenten am sogenannten Large Helical Device untersuchten die Wissenschaftler, wie sich Plasma bei kurzen und längeren Heizphasen verhält. Mithilfe hochauflösender Messungen konnten sie Temperaturänderungen, Turbulenzmuster und die Ausbreitung von Wärme zeitlich genau verfolgen. Dabei zeigte sich, dass ein Teil der Turbulenz, von den Forschenden als "Mediator" bezeichnet, unterschiedliche Regionen des Plasmas nahezu augenblicklich miteinander verbindet. Dieser Effekt trat in weniger als einer zehntausendstel Sekunde nach Beginn des Heizprozesses auf.

Praxis schlägt Theorie

Erst im Anschluss verteilte eine zweite Art von Turbulenz, der "Carrier", die Wärme im gesamten Plasma und sorgte für einen Temperaturausgleich. Besonders auffällig war dabei, dass kürzere Heizimpulse den Vermittlereffekt verstärkten und den Wärmetransport deutlich beschleunigten. Damit erklären die Messungen auch, warum frühere Experimente oft schnellere Turbulenzausbreitungen zeigten, als es theoretische Modelle vorhersagten.

Langfristig hoffen die Forschenden, diese Vermittler-Turbulenz gezielt steuern zu können. Gelingt das, könnten Fusionsreaktoren langsamer, aber effizienter arbeiten. Zudem könnten die Erkenntnisse über dieses "fernwirkende" Turbulenzverhalten auch helfen, ähnliche Phänomene in der Natur besser zu verstehen, etwa in Ozeanen oder in der Atmosphäre.


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