Forscher lösen zwei Probleme für die Kernfusion im Dauerbetrieb

Chinesische Forscher haben bei Experimenten zur Kernfusion einen möglichen Durchbruch erzielt: Erstmals gelang es, zwei der größten Probleme künftiger Fusionskraftwerke gleichzeitig deutlich zu entschärfen.

Schutz der Innenwände

Das Team arbeitete am Fusionsreaktor EAST in Hefei und entwickelte ein neues Betriebsverfahren für das extrem heiße Plasma im Inneren des Reaktors. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht.

Kernfusion gilt als mögliche Energiequelle der Zukunft, weil sie große Mengen Energie liefern könnte, ohne dabei klimaschädliches CO₂ freizusetzen. Allerdings stehen Wissenschaftler seit Jahrzehnten vor erheblichen technischen Hürden. Das Plasma, ein mehrere Millionen Grad heißes ionisiertes Gas, muss mithilfe starker Magnetfelder stabil gehalten werden. Dabei entstehen enorme Belastungen für die Innenwände des Reaktors.


Besonders kritisch ist der sogenannte Divertor, eine Art Abgassystem des Reaktors, das überschüssige Wärme und Teilchen ableitet. Dort treten Hitzeeinwirkungen auf, die mit den Belastungen eines Raumfahrzeugs beim Wiedereintritt in die Atmosphäre vergleichbar sind. Zusätzlich sorgen sogenannte ELMs (Edge Localized Modes) immer wieder für plötzliche Energieausbrüche am Rand des Plasmas. Diese Instabilitäten können Bauteile beschädigen und gelten als großes Hindernis für den Dauerbetrieb von Fusionsanlagen.

Das Forschungsteam um Professor Guosheng Xu setzte nun auf eine präzise Steuerung kleiner Mengen leichter Fremdgase im Plasma. Dadurch entstand ein neuer Betriebszustand, den die Wissenschaftler als DTP-Regime bezeichnen. Ziel war es, die Hitzebelastung am Divertor zu senken, ohne die Leistungsfähigkeit des Plasmas zu verschlechtern.

Keine Plasma-Ausbrüche mehr

Nach Angaben der Forscher gelang genau das: Die Wärmebelastung der Reaktorbauteile nahm deutlich ab, während die gefährlichen ELM-Ausbrüche vollständig unterdrückt wurden. Gleichzeitig verbesserte sich sogar die Energieeinschließung des Plasmas - ein entscheidender Faktor für eine spätere Stromerzeugung durch Fusion.

Möglich wurde dies durch eine teilweise Ablösung des Plasmas vom Divertor sowie durch kontrollierte Turbulenzen im Randbereich des Plasmas. Diese transportierten überschüssige Wärme und Teilchen kontinuierlich nach außen und verhinderten so gefährliche Druckanstiege.

Der stabile Hochleistungsbetrieb konnte rund eine Minute lang aufrechterhalten werden. Die Forscher sehen darin einen vielversprechenden Ansatz, um die bislang widersprüchlichen Anforderungen von Stabilität und Wärmekontrolle zukünftig miteinander zu vereinbaren.


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