Die Fluchtwege der Alphateilchen

Zu den Hauptschwierigkeiten bei der Arbeit mit Fusionsplasmen zählen die Auswirkungen der Alfvén-Eigenmoden.  Die von den Fusionsreaktionen erzeugten, wellenartigen Störungen kräuseln sich durch das Plasma in Tokamak-Reaktoren, in denen Deuterium und Tritium bei Temperaturen von 100 Millionen Grad Celsius zu Heliumionen ver­schmelzen, die dann ihrerseits das Fusionsplasma aufheizen und in Gang halten.

Diese Alphateilchen sind heißer als die Brennstoffmasse und so energiereich, dass sie Alfvén-Eigenmoden anregen können, die den Teilchen dann die Flucht aus dem Reak­tionsbereich erlauben, bevor sie das Plasma weiter aufheizen können. Die Flucht­wege der Alpha­teilchen zu verstehen, ist daher eines der Hauptthemen in der Fusions­forschung. Wenn nur zwei oder drei dieser Wellen in der Reaktions­kammer angeregt werden, ist die Auswirkung nur sehr begrenzt und die Fähigkeit der Alpha­teilchen, das Plasma weiter aufzuheizen sehr begrenzt. Berechnungen sagen jedoch voraus, dass bei der Anregung einer Vielzahl von Wellen viele Alphateilchen für die effiziente Aufheizung der Brenn­stoff­masse verloren gehen und die Wände der Reaktor­kammer in Mitleidenschaft ziehen können.

Jüngste Experimente an der DIII-D National Fusion Facility, einer von General Atomics für das U.S. Department of Energy (DOE) in San Diego betriebenen Einrichtung, bestätigen die Vorhersagen. Dort wurden Verluste von über 40 Prozent an hochenergetischen Teilchen beobachtet, wenn gleichzeitig viele Alfvén-Wellen durch Ionen eines Deute­rium­strahls angeregt wurden. Die Deuteriumionen simulierten dabei Alpha- und andere hochenergetische geladene Strahlteilchen, die in Fusionsreaktoren wie dem in Süd­frank­reich gebauten ITER zum Einsatz kommen.

Experimentbegleitend erarbeiteten Physiker des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) ein genaues quantitatives Modell des Einflusses dieser Alfvén-Wellen auf den hochenergetischen Deuteriumstrahl im DIII-D-Tokamak. Mit den Simulationscodes NOVA und ORBIT gelang ihnen eine Vorhersage, welche Alfvén-Wellen angeregt werden und welchen Einfluss dies auf den Einschluss der hochenergetischen Teilchen im Plasma haben wird.

Über zehn unstabile Alfvén-Wellen können laut Berechnung durch die Deuteriumstrahlen im DIII-D-Experiment angeregt werden. Weiterhin sagt das Modell in Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen den Verlust von bis zu 40 Prozent der hoch­ener­ge­tischen Teilchen voraus. Für den Bereich der Hochleistungsplasmen konnten mittels des Models erstmals genaue quantitative Vorhersagen für die Auswirkung der Alfvén-Wellen auf den Einschluss energiereicher Teilchen im DIII-D-Tokamak gemacht werden.

„Unser Team kann nun zuverlässig die Bedingungen vorhersagen, bei denen Ionen dem Plasma verloren gehen,“ freut sich Gerrit Kramer, Physiker am PPPL und Erstautor einer entsprechenden Veröffentlichung in der Zeitschrift Fusion Plasmas.Die Ergebnisse stellen einen möglicherweise bedeutsamen Meilenstein im Streben nach Verständnis der Pro­zesse im Fusionsplasma dar. „Wir haben jetzt eine gute Vorstellung von den individuell ange­reg­ten Wellen und wie diese zusammenwirken, um die energiereichen Teilchen aus dem Plasma zu entfernen“, erklärt Co-Autor Raffi Nazikian, Chef der ITER und Tokamak Abteilung am PPPL und Leiter der Zusammenarbeit mit DIII-D.

Die im Artikel präsentierten Modellberechnungen weisen dann auch bestimmte Plasma­be­din­gun­gen aus, die die Anzahl der Alfvén-Wellen drastisch reduzieren und somit den Verlust energiereicher Teilchen verhindern können. Dazu müsste das Profil des elek­tri­schen Stroms im Zentrum des Plasmas verbreitert werden. Dieser Ansatz soll in Folge­experi­menten am DIII-D untersucht werden und entscheidende Hinweise für das opti­male Design künftiger Fusionsreaktoren geben.

PPPL / LK