US-Laboratorium lüftet Geheimnis um Fusionsplasma, um Reaktorwärmeleitfähigkeit zu sichern

Die Forschung konzentriert sich auf die direkte Treibung der Trägheitsfusion, bei der leistungsstarke, gleichmäßige Laser eine Brennstoffkapsel komprimieren, um eine Reaktion auszulösen. Wenn diese Laser auf das Ziel treffen, verdampfen sie das feste Material augenblicklich zu einem extrem heißen, schnell expandierenden Plasma.

In früheren Laborversuchen wurden häufig intensive magnetische Strukturen beobachtet, die aus dieser Expansion hervortraten, doch Wissenschaftler konnten ihren Ursprung nicht genau lokalisieren. Da diese bisher nicht dokumentierten Felder beeinflussen, wie sich Wärme im Plasma ausbreitet, können sie dazu führen, dass Fusionsanlagen unvorhersehbar reagieren.

Durch die Simulation eines Lasers, der auf ein Aluminiumziel trifft, haben Forscher am Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) eine eindeutige Schwellenintensität für den Laser ermittelt, die dieses Verhalten bestimmt. „Unterhalb dieser Intensitätsschwelle bleibt das Plasma weitgehend unmagnetisiert", so die Pressemitteilung.

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Sobald jedoch die Laserintensität diese spezifische Grenze überschreitet, magnetisiert sich das Plasma innerhalb einer Milliarstel Sekunde selbstständig. Dieser schnelle Übergang erzeugt ein Magnetfeld von 40 Tesla, eine Kraft, die etwa eine Million Mal stärker ist als das Erdmagnetfeld.

Nach Aussage des leitenden Autors Kirill Lezhnin ist die wesentliche Erkenntnis der Studie, dass gleichmäßige Laserantriebe diese Felder nicht verhindern können; allein die Ausdehnung des Plasmas reicht aus, um sie zu erzeugen. Die Selbstmagnetisierung wird durch einen thermischen Wettstreit angetrieben.

Während sich das Plasma ausdehnt, kühlt es entlang seiner Ausbreitungsrichtung schnell ab, bleibt jedoch entlang seiner senkrechten Achsen wärmer. Diese Temperaturdifferenz löst ein Phänomen aus, das als Weibel-Instabilität bekannt ist und die Magnetfelder erzeugt.

Markt und Strategie

Gleichzeitig versuchen innere Teilchenkollisionen, das Plasma wieder in einen ausgeglichenen Temperaturzustand zurückzuzwingen. Wenn der Laser leistungsstark genug ist, gewinnt das Temperaturungleichgewicht, sodass die Weibel-Instabilität überhandnimmt.

Auswirkung auf Wärmefluss und Fusionsversuche mit Strom „Sobald die Magnetfelder entstehen, verändern sie grundlegend die Entwicklung des Plasmas: Die Felder fangen Elektronen in rotierenden Bahnen ein", so das Forschungsteam.

Diese Einschließung verhindert, dass Wärme aus dem Bereich entweicht, in dem der Laser auf das Ziel trifft. „Simulationen zeigten, dass die magnetischen Effekte groß genug sind, um das Gesamtverhalten und die Temperatur des Plasmas zu beeinflussen", merkte das Team an.

Technik und Auswirkungen

Um diese Erkenntnisse sofort anwendbar zu machen, entwickelte das Team zur Vorhersage der Plasmaindizierung basierend auf spezifischen Laser- und Zielparametern. Lezhnin wies darauf hin, dass die Schwelle überraschend niedrig ist und genau im Betriebsbereich der Intensität herkömmlicher Trägheitsfusionsversuche liegt.

Diese Überlappung bedeutet, dass die neu kartierten magnetischen Effekte die aktuelle Fusionsforschung aktiv beeinflussen. „Sie liegt genau im Bereich der typischen Intensität für gängige Trägheitsfusions-Experimente, was diese magnetischen Feldeffekte für diese Forschung sehr relevant macht", so Lezhnin.