„Dieser Ansatz ermöglicht es, ein Hochleistungsplasma aufrechtzuerhalten, indem Instabilitäten im Kern und am Rand des Plasmas gleichzeitig kontrolliert werden. Diese gleichzeitige Kontrolle ist besonders wichtig und schwierig zu erreichen. Das macht diese Arbeit so besonders“, sagte Joseph Snipes vom Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE). Er ist stellvertretender Leiter der Abteilung für experimentelle Tokamak-Wissenschaft am PPPL und war einer der Mitautoren der Studie.
Der PPPL-Physiker Seong-Moo Yang leitete das Forschungsteam, das sich über verschiedene Einrichtungen in den USA und Südkorea erstreckt. Laut Yang ist dies das erste Mal, dass ein Forschungsteam einen systematischen Ansatz zur Anpassung von Magnetfeldstörungen validiert hat, um das Plasma für den Einsatz als Energiequelle geeignet zu machen. Diese Unzulänglichkeiten des Magnetfelds werden als Fehlerfelder bezeichnet.
„Unsere neuartige Methode identifiziert optimale Fehlerfeldkorrekturen, die die Plasmastabilität verbessern“, so Yang. „Es wurde nachgewiesen, dass diese Methode die Plasmastabilität unter verschiedenen Plasmabedingungen verbessert, zum Beispiel wenn das Plasma unter Bedingungen mit hohem und niedrigem magnetischen Einschluss steht.“
Fehler, die schwer zu korrigieren sind
Fehler, die schwer zu korrigieren sind Fehlerfelder werden in der Regel durch winzige Defekte in den Magnetspulen der Vorrichtung verursacht, die das Plasma aufnimmt, was als Tokamak bezeichnet wird. Bisher wurden Fehlerfelder nur als lästig empfunden, da selbst ein sehr kleines Fehlerfeld eine Plasmastörung verursachen kann, die die Fusionsreaktionen unterbricht und die Wände eines Fusionsgefäßes beschädigen kann. Daher haben die Fusionsforscher viel Zeit und Mühe darauf verwendet, Wege zur Korrektur von Fehlerfeldern zu finden.
„Es ist ziemlich schwierig, bestehende Fehlerfelder zu beseitigen. Anstatt diese Spulenunregelmäßigkeiten zu reparieren, können wir zusätzliche Magnetfelder um das Fusionsgefäß herum anbringen, ein Prozess, der als Fehlerfeldkorrektur bekannt ist“, so Yang.
In der Vergangenheit hätte dieser Ansatz auch den Plasmakern beschädigt, so dass das Plasma für die Erzeugung von Fusionsenergie nicht geeignet gewesen wäre. Diesmal gelang es den Forschern, Instabilitäten am Rand des Plasmas zu beseitigen und die Stabilität des Kerns zu erhalten. Die Forschungsarbeit ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie PPPL-Forscher die Lücke zwischen der heutigen Fusionstechnologie und dem, was erforderlich sein wird, um Fusionsenergie ins Stromnetz zu bringen, schließen.
„Dies ist ein sehr effektiver Weg, die Symmetrie des Systems zu brechen, so dass der Mensch den Einschluss absichtlich verschlechtern kann. Das ist so, als würde man ein winziges Loch in einen Ballon machen, damit er nicht explodiert“, sagt Sang Kyeun Kim, wissenschaftlicher Mitarbeiter am PPPL und Mitautor der Studie. So wie aus einem kleinen Loch in einem Ballon Luft entweicht, entweicht aus dem Fehlerfeld eine winzige Menge Plasma, was zur Aufrechterhaltung der Gesamtstabilität beiträgt.
Gleichzeitige Verwaltung des Kerns und des Randes des Plasmas
Eine der schwierigsten Aufgaben bei der Steuerung einer Fusionsreaktion besteht darin, dass sich sowohl der Kern als auch der Rand des Plasmas gleichzeitig verhalten sollen. In beiden Regionen gibt es ideale Zonen für die Temperatur und Dichte des Plasmas, und es ist schwierig, diese Ziele zu erreichen und gleichzeitig Instabilitäten zu beseitigen.
Diese Studie zeigt, dass eine Anpassung der Fehlerfelder gleichzeitig sowohl den Kern als auch den Rand des Plasmas stabilisieren kann. Durch die sorgfältige Steuerung der von den Spulen des Tokamaks erzeugten Magnetfelder konnten die Forscher Randinstabilitäten, die auch als Edge Localized Modes (ELMs) bezeichnet werden, unterdrücken, ohne dass es zu Unterbrechungen oder einem wesentlichen Verlust des Einschlusses kam.„Wir versuchen, das Gerät zu schützen“, sagte Qiming Hu, Forschungsphysikerin am PPPL und Autorin der Studie.
Ausweitung der Forschung über Kstar hinaus
Die Forschungsarbeiten wurden mit dem Tokamak Kstar in Südkorea durchgeführt, der sich durch seine Fähigkeit auszeichnet, seine magnetische Fehlerfeldkonfiguration sehr flexibel anzupassen. Diese Fähigkeit ist entscheidend für das Experimentieren mit verschiedenen Fehlerfeldkonfigurationen, um die effektivsten für die Stabilisierung des Plasmas zu finden.
Die Forscher sagen, dass ihr Ansatz erhebliche Auswirkungen auf die Konstruktion künftiger Tokamak-Fusionspilotanlagen hat und diese möglicherweise effizienter und zuverlässiger macht. Derzeit arbeiten sie an einer Version ihres Kontrollsystems mit künstlicher Intelligenz (KI), um es noch effizienter zu machen.
„Diese Modelle sind ziemlich komplex, und ihre Berechnung dauert eine Weile. Aber wenn man etwas in einem Echtzeit-Steuerungssystem machen will, kann man sich nur ein paar Millisekunden für eine Berechnung leisten“, sagt Snipes. „Mit Hilfe von KI kann man dem System im Grunde beibringen, was es zu erwarten hat, und diese Künstliche Intelligenz nutzen, um im Voraus vorherzusagen, was für die Steuerung des Plasmas erforderlich ist und wie es in Echtzeit umgesetzt werden kann.“
Während die neue Arbeit die Arbeit mit den internen Magnetspulen von Kstar hervorhebt, schlägt Hu vor, dass zukünftige Forschung mit Magnetspulen außerhalb des Fusionsgefäßes wertvoll sein könnte, da die Fusionsgemeinschaft von der Idee abrückt, solche Spulen innerhalb des vakuumversiegelten Gefäßes unterzubringen, da diese Komponenten durch die extreme Hitze des Plasmas zerstört werden könnten. Forscher des Korea Institute of Fusion Energy (KFE), der Columbia University und der Seoul National University waren ebenfalls an dem Projekt beteiligt.
