Unerwartete Isotopenabhängigkeit der Zugangsschwelle für Plasmen mit hohem Energieeinschluss gefunden

Einzigartige Experimente mit tritiumhaltigen Plasmen in der Fusionsanlage JET in Culham, Großbritannien, zeigen, dass Plasmen aus Mischungen von Wasserstoffisotopen sich anders verhalten als isotopenreine Plasmen gleichen Isotopengewichts.

Gemessene Leistungsschwelle zum Erreichen der H-Mode, PLH, für verschiedene Isotopenzusammensetzungen normiert auf das erwartete Skalierungsgesetz Pscal ~ 1/Aeff aufgetragen gegen die effektive Isotopenmasse Aeff. Zahlen neben den Symbolen für die Wasserstoff-Tritium-Mischplasmen (rote Rauten) geben den Tritiumanteil in Prozent an. Der Vergleich von Plasmen gleicher Isotopenmasse, aber unterschiedlicher Isotopenzusammensetzung, offenbart eine unterschiedliche Leistungsschwelle. Beispielsweise hat ein isotopenreines Deuteriumplasma (blau) eine weit niedrigere Leistungsschwelle als eine Mischung aus Wasserstoff und Tritium (rote Raute) gleicher Masse, was gemäß Skalierungsgesetz nicht erwartet war. — Gemessene Leistungsschwelle zum Erreichen der H-Mode, P_LH, für verschiedene Isotopenzusammensetzungen normiert auf das erwartete Skalierungsgesetz P_scal ~ 1/A_eff aufgetragen gegen die effektive Isotopenmasse A_eff. Zahlen neben den Symbolen für die Wasserstoff-Tritium-Mischplasmen (rote Rauten) geben den Tritiumanteil in Prozent an. Der Vergleich von Plasmen gleicher Isotopenmasse, aber unterschiedlicher Isotopenzusammensetzung, offenbart eine unterschiedliche Leistungsschwelle. Beispielsweise hat ein isotopenreines Deuteriumplasma (blau) eine weit niedrigere Leistungsschwelle als eine Mischung aus Wasserstoff und Tritium (rote Raute) gleicher Masse, was gemäß Skalierungsgesetz nicht erwartet war.

Grafik: IPP

Gemessene Leistungsschwelle zum Erreichen der H-Mode, P_LH, für verschiedene Isotopenzusammensetzungen normiert auf das erwartete Skalierungsgesetz P_scal ~ 1/A_eff aufgetragen gegen die effektive Isotopenmasse A_eff. Zahlen neben den Symbolen für die Wasserstoff-Tritium-Mischplasmen (rote Rauten) geben den Tritiumanteil in Prozent an. Der Vergleich von Plasmen gleicher Isotopenmasse, aber unterschiedlicher Isotopenzusammensetzung, offenbart eine unterschiedliche Leistungsschwelle. Beispielsweise hat ein isotopenreines Deuteriumplasma (blau) eine weit niedrigere Leistungsschwelle als eine Mischung aus Wasserstoff und Tritium (rote Raute) gleicher Masse, was gemäß Skalierungsgesetz nicht erwartet war.

Grafik: IPP

IPP-Wissenschaftler haben in Experimenten an der Fusionsanlage JET die Isotopenabhängigkeit der Leistungsschwelle für das Erreichen von Plasmen mit hohem Energieeinschluss, der sogenannten H-mode, untersucht. Dies ist unter anderem wichtig, um den Bedarf an erforderlicher Heizleistung in einem Fusionskraftwerk abschätzen zu können. In sehr seltenen Experimenten, in denen Plasmen mit Tritium (überschwerer Wasserstoff) verwendet wurden, konnte gezeigt werden, dass es einen Unterschied macht, ob man die H-Mode in einem Plasma aus reinem Deuterium (D) oder einer Mischung aus Wasserstoff und Tritium (H-T) erreichen will, obwohl beide Plasmen dieselbe effektive Isotopenmasse A_effhaben. Dies war aufgrund vergangener Experimente nicht erwartet worden und konnte damit erklärt werden, dass der Wärmetransport vor dem Übergang in die H-mode ebenfalls nicht nur von der Isotopenmasse, sondern von der konkreten Isotopenzusammensetzung abhängt, wie in einer neuen Publikation ausgeführt wird, siehe G. Birkenmeier et al., Plasma Phys. Control. Fusion 65 054001 (2023),
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6587/acc423/meta