Bändigung des Sonneninfernos: Kontrolle der Hitze des Fusionsplasmas bei 100 Millionen Grad

Forscher der Kyoto-Universität haben ein Modell entwickelt, um die rotationsabhängige Temperatur von Wasserstoffmolekülen in Fusionsreaktoren vorherzusagen und zu kontrollieren. Diese Entdeckung trägt zur Kühlung von Plasma bei und optimiert die Leistung von Fusionsvorrichtungen, indem sie Einsichten für zukünftige Fortschritte in der Fusionsstromerzeugung bietet.

Ein internationales Forscherteam hat eine Methode entdeckt, um die rotationsabhängige Temperatur von Wasserstoffmolekülen in Fusionsreaktoren vorherzusagen und zu kontrollieren.

Der Mensch wird die Sonne vielleicht nie bändigen können, aber Wasserstoffplasma - das den Großteil des Inneren der Sonne ausmacht - kann als Teil der Fusionsstromerzeugung in einem Magnetfeld eingeschlossen werden: mit einem Vorbehalt.

Das extrem hochtemperierte Plasma, typischerweise bis zu 100 Millionen Grad Celsius, das in den Tokamaks - donutförmigen Fusionsreaktoren - eingeschlossen ist, beschädigt die Wand der Behälter dieser Mega-Geräte. Forscher injizieren Wasserstoff und inerte Gase in der Nähe der Gerätewand, um das Plasma durch Strahlung und Rekombination zu kühlen, was das Gegenteil von Ionisation ist. Die Verminderung der Wärmebelastung ist entscheidend, um die Lebensdauer zukünftiger Fusionsvorrichtungen zu verlängern.

Das Verständnis und die Vorhersage des Prozesses der rotations- und vibrationsabhängigen Temperaturen von Wasserstoffmolekülen in der Nähe der Wände könnte die Rekombination verbessern, aber effektive Strategien blieben bisher verborgen.

Rotationsabhängige Temperaturen von Wasserstoffmolekülen, die von plasmabezogenen Oberflächen desorbiert wurden, wurden in drei verschiedenen Tokamaks gemessen; die Erhöhungen der Temperatur aufgrund kollisionsradiativer Prozesse in den Plasmen wurden ebenfalls bewertet. Credit: KyotoU Global Comms/Taiichi Shikama

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Kyoto-Universität hat kürzlich einen Weg gefunden, um die rotationsabhängigen Temperaturen zu erklären, die in drei verschiedenen experimentellen Fusionsgeräten in Japan und den USA gemessen wurden. Ihr Modell bewertet die Oberflächenwechselwirkungen und Elektron-Proton-Kollisionen von Wasserstoffmolekülen.

"In unserem Modell haben wir uns auf die Bewertung der rotationsabhängigen Temperaturen in den niedrigen Energiezuständen konzentriert, was es uns ermöglicht, die Messungen mehrerer experimenteller Geräte zu erklären", fügt der korrespondierende Autor Nao Yoneda von der Graduate School of Engineering der Kyoto-Universität hinzu.

Durch die Vorhersage und Kontrolle der rotationsabhängigen Temperatur in der Nähe der Wandoberfläche konnte das Team die Plasma-Wärmefluss dissipieren und die Betriebsbedingungen der Geräte optimieren.

"Wir müssen immer noch die Mechanismen der rotations-vibrationalen Anregungen von Wasserstoff verstehen", reflektiert Yoneda, "aber wir waren erfreut, dass die Vielseitigkeit unseres Modells es uns auch ermöglichte, die in der Literatur gemessenen rotationsabhängigen Temperaturen zu reproduzieren."