Fusion in den USA: neuartiger Stellarator mit Dauermagneten
Zum ersten Mal haben Forschende beim Bau eines Stellarators Dauermagnete eingesetzt. Diese Technik könnte einen Weg aufzeigen, künftige Geräte kostengünstiger zu bauen, und es den Forschern ermöglichen, neue Konzepte für zukünftige Fusionskraftwerke zu testen.
«Die Verwendung von Dauermagneten ist eine völlig neue Art, Stellaratoren zu entwerfen», erklärte Tony Qian, ein Doktorand des Princeton Program in Plasma Physics, das am Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des amerikanischen Department of Energy (DOE) angesiedelt ist. Qian war der Hauptautor eines Artikels, der im Journal of Plasma Physics and Nuclear Fusion veröffentlicht wurde und die Theorie und Technik des MUSE genannten Geräts im Detail beschreibt. «Diese Technik ermöglicht es uns, neue Ideen zum Plasmaeinschluss schnell zu testen und neue Geräte einfach zu bauen.»
Im Gegensatz zu herkömmlichen Stellaratoren, die auf komplexe Elektromagnete angewiesen sind, benötigen Dauermagnete keine elektrischen Ströme, um ihre Felder zu erzeugen. Sie können kommerziell erworben und dann in eine 3D-gedruckte Hülle um den Vakuumbehälter des Geräts eingebettet werden, der das Plasma enthält.
«MUSE wird grösstenteils mit handelsüblichen Teilen gebaut», so Michael Zarnstorff, leitender Forschungsphysiker am PPPL und Leiter des Projekts. «Durch die Zusammenarbeit mit 3D-Druckern und Magnetlieferanten können wir die Präzision, die wir benötigen, einkaufen, anstatt sie selbst herzustellen.»
Die Idee, Dauermagnete als Grundlage für eine neue, erschwinglichere Stellarator-Variante zu nutzen, kam Zarnstorff bereits 2014. «Ich erkannte, dass Seltene-Erden-Dauermagnete, selbst wenn sie neben anderen Magneten angeordnet sind, Magnetfelder erzeugen und aufrechterhalten können, die notwendig sind, um das Plasma einzuschliessen, sodass Fusionsreaktionen stattfinden können», sagte Zarnstorff, «und das ist die Eigenschaft, die diese Technik zum Funktionieren bringt».
100-mal bessere Quasisymmetrie
MUSE ist nicht nur ein technischer Durchbruch, sondern weist auch eine theoretische Eigenschaft auf, die als Quasisymmetrie bekannt ist, und zwar in einem höheren Masse als jeder andere Stellarator zuvor. Es ist auch das erste weltweit fertiggestellte Gerät, das speziell für eine Art von Quasisymmetrie, die so genannte Quasiaxisymmetrie, entwickelt wurde. Quasisymmetrie bedeutet, dass das Magnetfeld im Inneren des Stellarators nicht mit der physischen Form des Stellarators übereinstimmt. Die Stärke des Magnetfelds um das Gerät herum ist jedoch gleichmässig, was zu einem guten Plasmaeinschluss führt, und die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Fusionsreaktionen stattfinden. «In der Tat ist die Quasisymmetrie-Optimierung von MUSE mindestens 100-mal besser als bei jedem anderen existierenden Stellarator», so Zarnstorff.
Das PPPL-Team plant zukünftige Experimente, um die genaue Natur der Quasisymmetrie von MUSE zu bestimmen und somit herauszufinden, wie gut das Gerät verhindert, dass heisse Partikel vom Kern des Plasmas an den Rand wandern, was die Fusionsreaktionen erschwert.
Quelle
M.A. nach PPPL, Medienmitteilung, 2. April 2024