Der Rand entscheidet: Wie Turbulenz über den Erfolg von Fusionskraftwerken bestimmt

Zwei IPP-Artikel in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erklären erstmals aus grundlegenden Prinzipien, was in der hauchdünnen Randschicht eines Fusionsplasmas geschieht. Sie liefern damit ein Fundament für die Planung künftiger Reaktoren.
 

Ein Fusionskraftwerk muss zwei Dinge gleichzeitig können, die sich eigentlich widersprechen: ein 100 Millionen Grad Celsius heißes Plasma so gut einschließen, dass es zündet – und die anfallende Wärme so verteilt abführen, dass die Wände nicht schmelzen. Ob beides zusammengeht, entscheidet sich in einer nur wenige Zentimeter dünnen Schicht am Rand des Plasmas. Zwei Forschungsteams des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) haben Phänomene in der Randschicht nun erstmals mit Höchstleistungsrechnern aus Grundgleichungen der Physik berechnet – ohne vorherige Annahmen aus Experimenten. Beide Arbeiten erscheinen in Physical Review Letters; eine davon wurde von der Redaktion als besonders bedeutend hervorgehoben.

 

Der Torwächter des Plasmas

Am Rand eines Tokamaks – jener ringförmigen Magnetfalle für Fusionsplasmen, wie sie auch die Anlage ASDEX Upgrade in Garching darstellt – verläuft eine unsichtbare Grenze: die Separatrix. Innen sind die Magnetfeldlinien in sich geschlossen, das Plasma bleibt gefangen; außen laufen sie auf gekühlte Bauteile zu. Genau dort bildet sich im Idealfall ein steiler Druckabfall aus, der sogenannte Pedestal. Dabei entsteht eine Art Wärmedämmung, die den Wirkungsgrad der ganzen Anlage bestimmt. Der Haken: Wird diese Barriere zu perfekt, entlädt sie sich in schlagartigen Ausbrüchen, die gewaltige Energiemengen auf kleine Wandflächen schleudern. In einem Kraftwerk wäre das nicht tolerierbar, weil es Schäden an der Tokamak-Wand verursachen könnte.

 

Ein Ventil statt eines Ausbruchs

Physiker Dr. Kaiyu Zhang und seine Kollegen aus dem IPP-Bereich Tokamaktheorie haben nun einen Betriebszustand simuliert, der genau dieses Problem umgeht: das Quasi-Continuous Exhaust Regime (QCE). Statt sich in seltenen Eruptionen zu entladen, gibt das Plasma permanent kleine Wärme-Portionen ab. Die Simulationen zeigen jetzt erstmals, wie das funktioniert: Eine wellenförmige Struktur wandert an der Separatrix entlang und lässt den Rand des Pedestals rhythmisch über die Grenze hinausschwingen. Dabei schnürt sie fortlaufend fingerförmige Plasmapakete ab – „Blobs“ von nur etwa einem Zentimeter Durchmesser, die sich aber über zehn Meter Länge entlang der magnetischen Feldlinien bilden. Diese Blobs schießen mit rund 1.000 Metern pro Sekunde nach außen davon und verteilen die Wärme großflächig. Erstmals ließ sich zeigen, dass dahinter das Zusammenspiel zweier ganz unterschiedlicher Instabilitäten steckt, die einander an der Separatrix begegnen: Wird dieser Effekt aus der Berechnung herausgenommen, verschwinden die wärmetragenden Plasma-Blobs. Dichte- und Temperaturprofile stimmen mit den Messungen am IPP-Tokamak ASDEX Upgrade in Garching überein, ohne dass das theoretische Modell an das Experiment angepasst wurde. Die Redaktion der Physical Review Letters kennzeichnete die besondere Bedeutung dieser wissenschaftlichen Arbeit mit den Prädikaten „Editors’ Suggestion” und „Featured in Physics“. 
Dr. Kaiyu Zhang: „Wir können jetzt aus physikalischen Prinzipien ableiten, warum Wärme in kleinen Portionen abgeführt wird.“

 

Warum die Richtung des Magnetfelds zählt

Die zweite Arbeit, geleitet von Dr. Baptiste Frei, klärt ein Rätsel, das die Fusionsforschung seit Jahrzehnten begleitet. Dreht man in einem Tokamak lediglich die Richtung des Magnetfelds um, verdoppelt sich die Heizleistung, die nötig ist, um überhaupt in den Betriebszustand mit guter Wärmeisolierung (die H-Mode) zu gelangen – bei sonst identischen Bedingungen.

Die Simulationen von ASDEX Upgrade liefern nun eine Erklärung: Die Turbulenz am Plasmarand erzeugt selbst jene Strömung, die sie anschließend zerschert und damit bändigt. Dieser Rückkopplungskreis funktioniert jedoch nur in einer der beiden Feldrichtungen effizient – dann nämlich, wenn die verwirbelten Strukturen so gekippt werden, dass sie ihre Energie besonders wirksam an die Strömung abgeben. In der ungünstigen Richtung bleibt dieser Übertrag schwach, die Turbulenz stärker, die bremsende Scherströmung flacher. Die Simulationen zeigten zudem, wie wichtig die umgedrehte Geometrie für diesen Mechanismus ist. Ähnliche Muster lassen sich auch in Simulationen anderer Anlagen feststellen, was darauf hindeutet, dass die Forscher einen allgemein gültigen Mechanismus identifiziert haben.

Dr. Baptiste Frei: „Durch die Umkehr des Magnetfelds ändert sich gewissermaßen die Choreografie der Turbulenz – und damit, wie leicht das Plasma zur H-Mode gelangt“.

 

Von der Erklärung zur Vorhersage

So verschieden die beiden Fragestellungen sind – beide zeigen dasselbe Grundmuster: Turbulenz ist am Plasmarand nicht bloß ein Störfaktor, den man wegdämpfen möchte. Sie organisiert sich selbst und regelt dabei mit, wie gut ein Plasma isoliert und wie es seine Wärme loswird. Wer Anlagen wie ITER oder ein Demonstrationskraftwerk planen will, muss dieses Wechselspiel quantitativ beherrschen. Bisher stützten sich solche Vorhersagen weitgehend auf empirische Skalierungen aus heutigen Experimenten – eine riskante Extrapolation auf noch zu bauende Kraftwerke. Die beiden neuen Arbeiten ersetzen einen Teil dieser Erfahrungswerte durch theoretisch fundierte Physik.

 

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