Kernfusion: Ein Hybridkonzept aus „Tokamak“ und „Stellarator“ könnte Kraftwerke effizienter machen

Im Jahr 2011 wurde der Physiker Thomas Klinger von ITER Newsline nach dem Unterschied zwischen Stellaratoren und Tokamaks gefragt, zwei Geräten zur Erzeugung kontrollierter Kernfusionsreaktionen. „Ein Plasma in einem Stellarator einzuschließen, ist ein bisschen so, als würde man einen Besenstiel sehr fest in der Faust quetschenbemerkte er. Bei einem Tokamak geht es darum, denselben Besenstiel auf einem Finger zu balancieren.

Jeder dieser Reaktoren hat Nachteile, aber ein Hybridkonzept, das Teile aus jedem von ihnen kombiniert, könnte sich als wertvoll erweisen, heißt es The New Scientist, Freitag, 14. Juni, unter Berufung auf eine Veröffentlichung der American Physical Society. Diese Innovation würde dazu beitragen, Kraftwerke effizienter zu machen.

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Tokamaks und Stellaratoren: Jeder hat seine Nachteile

Wissenschaftler verwenden magnetische Einschlussgeräte. Die häufigsten Fusionsreaktoren dieser Art sind Stellaratoren und Tokamaks. Konkret werden sie Magnetfelder nutzen, um eine Wolke geladener Ionen (Plasma genannt) in ein winziges Volumen zu komprimieren, um die Wahrscheinlichkeit der Energiefreisetzung und Kernfusion zu erhöhen, propagiert New Scientist.

Je nachdem, ob der eine oder andere Reaktor verwendet wird, wird das Plasma auf unterschiedliche Weise eingeschlossen. Der Tokamak, das vom Joint European Torus (JET) im Vereinigten Königreich verwendete Design, hat die Form eines Donuts, der von Spulen aus Elektromagneten umgeben ist. Was Stellaratoren betrifft, die im Zusammenhang mit kleinen modularen Reaktoren beliebt sind, werden sie das Plasma mit verdrehten und gebogenen Spulen einschließen.

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Jedes dieser Designs hat Nachteile. Daher kann das in den Tokamaks vorkommende Plasma plötzlichen Turbulenzen ausgesetzt sein, die als Instabilitäten bezeichnet werden. Letztere bergen die Gefahr, den Fusionsprozess zu stören oder den Reaktor zu beschädigen, heißt es in der wissenschaftlichen Veröffentlichung. Stellaratoren können nur relativ wenig Plasma aufnehmen und sind komplex in der Konstruktion.

Dieses Diagramm stellt den von Sophia Henneberg und Gabriel Plunk entwickelten Hybridreaktor dar. Sophia Henneberg / Gabriel Plunk / Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

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Mehr Stabilität und weniger Energieverbrauch

Angesichts dieser Beobachtung machten sich die Forscher Sophia Henneberg und Gabriel Plunk vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald (Deutschland) auf die Suche nach einer Lösung. Spezialisten haben die beiden Modelle zu einem Hybridgerät kombiniert. Ihrer Meinung nach wäre dieses System einfach zu bauen und in der Lage, größere und stabilere Plasmen zu erzeugen als mit jedem bestehenden Reaktor. Und das bei gleichzeitiger Reduzierung der derzeit für den Betrieb dieser Geräte benötigten Energiemenge.

Ihre Innovation behielt die von Tokamaks bekannte Donutform bei, es wurden jedoch zusätzliche verdrehte elektromagnetische Schleifen hinzugefügt, die durch die Mitte verlaufen und „Bananenspulen“ genannt werden. Sophia Henneberg und Gabriel Plunk wurden durch die Simulationen darauf aufmerksam, dass diese Spulen genügend „Verdrehungen“ in den Magnetfeldern erzeugten, um die in den Tokamaks beobachteten Instabilitäten zu vermeiden.

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„Dieses Konzept ist ziemlich weit von dem entfernt, was derzeit gebaut werden könnte“, Nuance Benjamin Dudson vom Lawrence Livermore National Laboratory (Kalifornien), zitiert von New Scientist. Aber, „Dies ist ein großartiges Beispiel für kreative Theorie, die große Auswirkungen auf die Fusionsenergie haben könnte, wenn sie zu neuen Forschungsergebnissen zu diesem Thema führt.“

Laut Jorrit Lion, der bei Proxima Fusion, einem deutschen Start-up, arbeitet, wäre es aufgrund der Ähnlichkeit im Design möglich, bestehende Tokamak-Reaktoren so umzurüsten, dass sie diesem Hybridkonzept entsprechen. Sophia Henneberg und Gabriel Plunk sind in Gesprächen mit Universitäten, um ein Modell zu entwickeln.