Physiker des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums haben in der Fachzeitschrift Physical Review Letters die Ergebnisse einer Berechnungsstudie veröffentlicht, die den Ansatz beim Entwurf zukünftiger Fusionsreaktoren verändern könnte. Das Team, bestehend aus Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono und Jonathan Menard, zeigte, dass es zum Erreichen der Fusionszündung — einem Zustand, in dem Fusionsreaktionen im Plasma genügend Energie freisetzen, um seine hohe Temperatur ohne kontinuierliche externe Heizung aufrechtzuerhalten — effizienter ist, das Plasma zuerst zu erhitzen und dann seine Dichte zu erhöhen, anstatt umgekehrt. Die Arbeit hat derzeit rein theoretischen Charakter: Die vorgeschlagene Sequenz wurde in keinem experimentellen Reaktor getestet, doch die Berechnungen könnten die Wahl der Designparameter für neue Anlagen maßgeblich beeinflussen.

Das Lawson-Kriterium und vier neue Faktoren

Der Modell liegt das Lawson-Kriterium zugrunde — eine Reihe von Bedingungen aus den 1950er Jahren, die beschreibt, ob Plasma lange genug heiß und dicht bleiben kann, um eine Fusionsreaktion ohne zusätzliche externe Heizung aufrechtzuerhalten. Die Forscher erweiterten die klassische Formel, indem sie zum ersten Mal vier Faktoren in einem einzigen Modell vereinten, die die Energiebilanz des Plasma beeinflussen: Heliumansammlung als Reaktionsprodukt, Plasmakontamination durch interne Reaktorwandmaterialien, Energieverluste durch Elektronensynchrotronstrahlung in Magnetfeldern und Wärmeverluste aus dem Plasma. Jeder dieser Effekte wurde in der Vergangenheit einzeln untersucht, doch ihr kombinierter Einfluss auf die Zündungsbedingungen wurde erst jetzt bewertet. Die Wissenschaftler analysierten auch den sogenannten Cordey-Pass — den Grenzbereich zwischen Plasma, das externer Erwärmung bedarf, und Plasma, das die Reaktion selbstständig aufrechterhalten kann.

Das Wolframproblem und das Wanddesign

Die Berechnungen deckten ein potenziell kritisches Problem im Zusammenhang mit Wolfram auf. Dieses Metall wird wegen seiner hohen Hitzebeständigkeit und Neutronenbeständigkeit als Hauptmaterial für den Bau der Wände zukünftiger Fusionsanlagen in Betracht gezogen. Die Modellierung zeigte jedoch, dass selbst eine geringe Menge Wolfram, die in das Plasma gelangt, die Fusionsreaktion stören kann. Dies bedeutet, dass das Reaktorelement zusätzliche Mechanismen umfassen muss, um die Erosion der Wolframwände und deren Eintritt in die Plasmagewölke zu verhindern. Die Wahl des Materials für die erste Wand bleibt eine der zentralen Herausforderungen bei der Planung von Anlagen der nächsten Generation.

Strahlung als Begrenzer und Stabilisator

Ein interessantes Ergebnis ergibt sich aus der Modellierung, wie verschiedene Prozesse das Plasma in verschiedenen Stadien beeinflussen. Einige Mechanismen, die den Start der Fusion erschweren — insbesondere Synchrotronstrahlung und Wärmeverluste —, können gleichzeitig als natürliche Begrenzer für Plasmareaktionen wirken, sobald die Zündung erreicht ist. Mit anderen Worten: Genau jene Faktoren, die das Erreichen des kritischen Regimes erschweren, sind in der Lage, das Plasma zu stabilisieren und eine unkontrollierte Erwärmung zu verhindern. Dieses doppelte Verhalten wird im neuen Modell berücksichtigt und kann beim Entwurf von Plasmasteuerungssystemen in Energiereaktoren genutzt werden.

Von Berechnungen zur Praxis: Was kommt als Nächstes

Das Team betont, dass die Arbeit ausschließlich auf numerischen Berechnungen beruht und nicht experimentell bestätigt wurde. Dennoch können die Ergebnisse dazu beitragen, die Parameter zukünftiger Anlagen präziser auszuwählen, die Machbarkeit der Zündung zu bewerten und Faktoren zu berücksichtigen, die den Reaktorbetrieb behindern könnten. Da der Fusionsforschungsbereich von Experimenten mit brennendem Plasma zu vollwertigen Kraftwerken übergeht, können solche Berechnungen die Anzahl fehlerhafter Designentscheidungen reduzieren und die Entwicklungskosten senken. Für eine Branche, in der die Kosten für einen einzigen Versuchszyklus in Milliarden US-Dollar gemessen werden, hat selbst eine theoretische Verfeinerung der optimalen Heiz- und Kompressionsreihenfolge praktischen Wert.