Wissenschaftler lösen zwei der größten Probleme der Fusionsenergie gleichzeitig

Ein Hauptproblem besteht darin, dass der Plasmarand gewaltsame Energieausbrüche freisetzen kann, die die Reaktorwände beschädigen können, während das Abgasystem ebenfalls enormen Wärmelasten standhalten muss, die denen eines Raumfahrzeugs während des Wiedereintritts vergleichbar sind.

Nun haben Forscher China möglicherweise einen Weg gefunden, beide Probleme gleichzeitig anzugehen.

Ein Institut für Plasmaphysik, einer Einrichtung der Hefei-Institute for Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, geleitetes Team hat einen neuen Betriebsmodus des Plasmas Fusionsreaktor EAST demonstriert, der gleichzeitig die auf Reaktorbauteile treffende Wärmelast reduziert, schädliche Instabilitäten unterdrückt und eine hohe Energieeinschlussqualität aufrechterhält.

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Diese Leistung, die etwa eine Minute lang in einer Metallwand-Umgebung aufrechterhalten wurde, wurde kürzlich Physical Review Letters veröffentlicht. Herausforderungen der Fusionsforschung: Wärmelasten, ELMs und Stabilität Fusionsreaktoren funktionieren, indem sie Plasma – ein extrem heißes, elektrisch geladenes Gas – in magnetischen Feldern einschließen.

Damit Fusionskraftwerke kontinuierlich betrieben werden können, müssen sie hohe Temperaturen und einen starken Einschluss aufrechterhalten und gleichzeitig überschüssige Wärme und Teilchen Plasmarand sicher abführen. Eine der am stärksten gefährdeten Bereiche ist der Divertor, ein spezielles Abfuhrsistema, das die entweichende Wärme und Teilchen bewältigt.

Unter normalen Bedingungen kann der Divertor extremen Wärmeflüssen ausgesetzt sein, die eine Erosion der Reaktormaterialien bedrohen. Wissenschaftler injizieren daher oft geringe Mengen Verunreinigungsgasen, um diese Region durch einen Prozess namens Detachment abzukühlen, bei dem das Plasma teilweise äche getrennt wird.

Übermäßige Kühlung kann jedoch auch die

Übermäßige Kühlung kann jedoch auch die Leistung des Plasmas verringern. Ein weiteres zentrales Problem stellen die Rand-lokalisierten Moden, kurz ELMs, dar: plötzliche Ausbrüche von Wärme und Teilchen aus dem Plasma-Rand, die sich teilweise wie Sonneneruptionen verhalten.

Diese Impulse treten häufig Hochkonfinements-Plasmen, kurz H-Mode-Plasmen, auf, die andererseits erwünscht sind, da sie Energie effizient einschließen. Die Eliminierung Konfinement gilt seit langem als eine der wesentlichen Hürden für zukünftige Fusionsreaktoren.

In der neuen Studie haben die Forscher die Injektion leichter Verunreinigungsgase im EAST-Tokamak präzise gesteuert, um einen und Turbulenz-dominiertes Pedestal (DTP) bezeichneten Betriebszustand zu erzeugen.

Technik und Auswirkungen

DTP-Regime: Innovation bei Gas-Einspeisung und Plasmainstanz Durch eine präzise, Echtzeit-Anpassung der Gaszufuhr gelang es den Forschern, eine teilweise Divertor-Entkopplung zu erreichen, ohne die Stabilität zu gefährden.

Unter diesen Bedingungen sank die auf die Divertorplatten auftreffende Wärme erheblich, die ELMs wurden vollständig unterdrückt und die Elektronentemperatur Pedestal stieg, was die Energieeinschlussqualität verbesserte.

Die Kombination aus teilweiser Entkopplung und einem geschlossenen Divertor-Design ermöglichte die effektive Einfangung und Entfernung neutraler Teilchen, wodurch die Abkühlung Plasmarand verringert und der Temperaturgradient verstärkt wurde.

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Der steilere Gradient löste Mikroturbulenzen aus, insbesondere temperaturgradientgetriebene gefangene Elektronenmoden, die Wärme und Teilchen natürlicherweise nach außen transportierten.

Dieser Prozess begrenzte den Druckaufbau Pedestal, verhinderte ELMs und ermöglichte einen stabilen Hochleistungs-Betrieb des Plasmas für etwa eine Minute – ein wichtiger Schritt Richtung anhaltender, langpulser Fusion.

Laut den Forschern weist diese Arbeit einen vielversprechenden Weg auf, um die Kontrolle der Divertor-Wärme mit einem effizienten Plasmakonfinement Einklang zu bringen und damit eine langjährige Herausforderung in der Entwicklung der Fusionsenergie zu adressieren.

Referenz: „Turbulence-Driven Edge-Localized-Mode-Free High-Confinement Mode with

Referenz: „Turbulence-Driven Edge-Localized-Mode-Free High-Confinement Mode with Divertor Detachment in Metal-Wall Tokamak", G. F. Ding, G. J. Zhang, Y. F. Wang, X. Jian, T. Zhang, Z. Q. Zhou, K. Wu, Q. Q. Yang, R. Chen, L. Yu, L. Y. Meng, L. Wang, H. Q. Wang, N. M. Li, Z. Y. Lu, K. D. Li, S. Y. Ding, N. Yan, L. Q. Xu, X. Lin, B. Zhang, J. P. Qian, T. F.

Zhou, P. Li, C. Zhou, S. F. Wang, Q. Zang, H. Q. Liu, F. Ding, L. Zhang, Y. F. Jin, Y. M. Duan, Y. W. Yu, R. Ding, G. Q. Li, X. Z. Gong, K. Lu, J. S. Hu, Y. T. Song und B. N. Wan, 23. März 2026, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/7r3f-dqft