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pte20190823003 Umwelt/Energie, Forschung/Technologie

Realisierung der Fusionsenergie rückt näher

Neues mathematisches Verfahren beschleunigt die herausfordernde Berechnung der Spulen


Spulen des Fusionsreaktors in Greifswald im Modell (Grafik: ipp.mpg.de)
Spulen des Fusionsreaktors in Greifswald im Modell (Grafik: ipp.mpg.de)

Princeton/Garching (pte003/23.08.2019/06:10) - Mit einem neuen mathematischen Verfahren zur Berechnung der Spulenform von Fusionsanlagen des Stellarator-Typs rückt die Realisierung von Kraftwerken deutlich näher, die ihre Energie aus der Fusion von Wasserstoff-Isotopen beziehen. Entwickelt haben das Modell Forscher des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) http://www.pppl.gov .

Wände müssen standhalten

Die Spulen, die ein Magnetgefäß für das Millionen Grad heiße Plasma bilden, das die materiellen Wände nicht berühren darf, haben bizarre Formen. Nur so lässt sich das Plasma bändigen. Diese zu berechnen, ist so aufwendig, dass nur noch wenige Forschergruppen in der Welt versuchen, diese aussichtsreiche Technik voranzubringen. Dazu zählt ein Team des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik http://www.ipp.mpg.de in Garching bei München, das einen großen Stellarator in Greifswald betreibt. Dieser erzeugt allerdings noch keinen Strom.

Die neue Berechnungsmethode hat ein Team um den PPPL-Physiker Caoxiang Zhu entwickelt. "Dieses Verfahren ermöglicht es, im Voraus zu wissen, ob Formen und Anordnung der Magnetspulen dafür sorgen, dass die Wände des Gefäßes nicht zerstört werden", so Zhu. Da die Berechnung außerdem erheblich schneller funktioniert als bisher, werden die Kosten drastisch reduziert, sagt der Wissenschaftler.

Tokamak versus Stellarator

Weltweit wird bevorzugt die Tokamak-Technik vorangetrieben. Diese ist leichter zu realisieren als die Stellarator-Technik, hat aber einige Nachteile. Der gravierendste: Ein kontinuierlicher Betrieb ist beim Tokamak unmöglich, bei Stellarator jedoch problemlos zu verwirklichen. In Greifswald sind bereits Einschlusszeiten von 30 Minuten erreicht worden. In dieser Zeit blieb das Plasma in seinem Magnetkäfig.

"Die große Herausforderung besteht darin, herauszufinden, wie man den Stellarator einfach konstruieren und kostengünstig bauen kann", sagt PPPL-Chefforscher Michael Zarnstorff. Zhu habe sich genau angesehen, welche Unregelmäßigkeiten in der Konstruktion tolerierbar sind, weil sie keinen Schaden anrichten und welche unbedingt vermieden werden müssen.

Die Methode beruht auf der nach Otto Hesse benannten Hesse-Matrix. Diese ist ein mathematisches Werkzeug, mit dem sich ermitteln lässt, wie sich ein Magnetfeld ändert, wenn die Form der Magnetspule und ihrer Platzierung verändert wird. Zhu hat sein neues Verfahren getestet, indem er das reale Magnetfeld der Spulen am Columbia Non-Neutral Torus, einem kleinen Fusionsexperiment an der Columbia University http://columbia.edu , mit dem verglich, das er errechnet hatte. Beide stimmten überein.

(Ende)
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