Die Kernfusion ist ein Prozess, der auf natürliche Weise in Sternen wie der Sonne vorkommt, wobei Wasserstoffkerne genommen und zu Helium kombiniert werden – wodurch kolossale Energiemengen freigesetzt werden. Die als Energiequelle „Heiliger Gral“ bezeichnete Fusion hat das Potenzial, mehr als das Viermillionenfache der Energiemenge zu erzeugen, die durch eine äquivalente chemische Reaktion – wie die Verbrennung von Kohle, Öl oder Gas – und das Vierfache der Kernspaltung freigesetzt wird. bei dem Atome gespalten werden.
Die Fusion erfordert extreme Temperaturen und Drücke, die in Sternen aufgrund ihrer immensen Masse und Anziehungskraft entstehen.
Um die gleichen Bedingungen auf der Erde zu erreichen, muss superheißes Plasma – ein geladener Materiezustand, der aus freien Elektronen und Atomkernen besteht – in einem ringförmigen Magnetfeld in einer Maschine namens Tokamak eingeschlossen werden.
Es ist jedoch bekannt, dass diese Vorrichtungen rätselhaften Hitzekollaps unterliegen, denen größere Störungen im Plasma folgen, die den umgebenden Reaktor beschädigen können.
In ihrer Studie führten Dr. Min-Gu Yoo vom Princeton Plasma Physics Laboratory des US-Energieministeriums und seine Kollegen diesen Kollaps auf die dreidimensionale Unordnung der Magnetfelder zurück, die das superheiße Plasma einschließen.
Dr. Yoo sagte: „Wir haben einen neuen Weg vorgeschlagen, um die Feldlinien zu verstehen, der in früheren Studien normalerweise ignoriert oder schlecht modelliert wurde.“
Durch experimentelle Simulationen fand das Team heraus, dass Plasma in der Lage war, den Einschluss schnell zu verlassen, wenn das Magnetfeld durch Instabilitäten im Plasma gestört wurde.
Aus ihrem magnetischen Gefängnis befreit, kann das Millionen-Grad-Plasma die Wände des umgebenden Fusionsreaktors treffen und erheblichen Schaden anrichten.
Der Co-Autor und Kollege des Plasmaphysikers, Weixing Wang, sagte: „Im Fall einer großen Störung werden die Feldlinien wie Spaghetti völlig ungeordnet und verbinden sich schnell mit der Wand.
„Das bringt enorme thermische Plasmaenergie gegen die Wand.“
Was bisher nicht bekannt war, war die sogenannte „Topologie“ – oder dreidimensionale Form – die die magnetischen Feldlinien annehmen, wenn sie durch turbulente Instabilitäten im Fusionsplasma durcheinander gebracht werden.
Die Forscher fanden heraus, dass die ungeordnete Topologie „winzige Hügel und Täler“ bildet. Letztere fangen Plasmapartikel ein, während die Hügel es ihnen stattdessen ermöglichen, „herunterzurollen“ und auf die Wände des umgebenden Tokamak-Reaktors aufzuprallen.
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Was die Topologie so schwer verständlich mache, sagte Dr. Yoo, sei die komplexe Natur der Wechselwirkungen zwischen den elektrischen und magnetischen Feldern im Inneren des Reaktors.
Er schloss: „Diese Forschung liefert neue physikalische Erkenntnisse darüber, wie das Plasma seine Energie in Richtung der Wand verliert, wenn es offene Magnetfeldlinien gibt.
„Das neue Verständnis wäre hilfreich, um innovative Wege zu finden, um thermische Quenches und Plasmastörungen in Zukunft zu mildern oder zu vermeiden.“
Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift Physics of Plasmas veröffentlicht.