Fusionsreaktor EAST: Chinesen brechen Dichtegrenze für stabiles Plasma
Chinesische Forscher erreichen am EAST-Tokamak nach eigenen Angaben erstmals ein theoretisch vorhergesagtes Regime mit Plasmadichten über der bisherigen Grenze.
(Bild: HFIPS)
Chinesische Wissenschaftler haben nach eigenen Angaben am Fusionsreaktor EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), auch „künstliche Sonne“ genannt, erstmals ein theoretisch vorhergesagtes Betriebsregime erreicht, in dem die übliche Dichtegrenze nicht mehr gilt: Sie erzielten eine Plasmadichte, die 30 bis 65 Prozent über dem sogenannten Greenwald-Limit liegt – ohne, dass das Plasma instabil wurde. Damit gelang nach Darstellung des Teams der erste experimentelle Nachweis des „dichtefreien Regimes“, wie die Forscher in der Fachzeitschrift Science Advances berichten.
Warum Dichte für die Fusion entscheidend ist
Bei der Kernfusion werden leichte Atomkerne – typischerweise die Wasserstoffvarianten Deuterium und Tritium – zu schwereren Heliumkernen verschmolzen. Dieser Prozess setzt enorme Energie frei und treibt auch unsere Sonne an. Damit die Reaktion auf der Erde in einem Reaktor funktioniert, muss das Plasma drei Bedingungen erfüllen: extrem hohe Temperaturen von über 100 Millionen Grad, eine ausreichend lange Einschlusszeit und eine möglichst hohe Dichte. Je mehr Teilchen auf engem Raum zusammenkommen, desto häufiger kollidieren und verschmelzen sie – und desto mehr Energie wird freigesetzt. Tatsächlich skaliert die Fusionsleistung mit dem Quadrat der Brennstoffdichte.
Empfohlener redaktioneller Inhalt
Mit Ihrer Zustimmung wird hier ein externes YouTube-Video (Google Ireland Limited) geladen.
Ich bin damit einverstanden, dass mir externe Inhalte angezeigt werden. Damit können personenbezogene Daten an Drittplattformen (Google Ireland Limited) übermittelt werden. Mehr dazu in unserer Datenschutzerklärung.
Die Greenwald-Grenze als Hindernis
In Tokamaks – ringförmigen Reaktoren, die das Plasma mit starken Magnetfeldern einschließen – gilt eine empirische Obergrenze für die erreichbare Plasmadichte. Diese nach dem US-Physiker Martin Greenwald benannte Grenze beschreibt den Punkt, ab dem das Plasma instabil wird und zusammenbricht. Solche „Disruptions“ können den Reaktor beschädigen und müssen vermieden werden. Der übliche Betriebsbereich am EAST liegt nach Angaben der Forscher bei 0,8 bis 1,0 der Greenwald-Dichte.
Zwar wurde die Greenwald-Grenze bereits in früheren Experimenten überschritten – etwa an den Tokamaks ASDEX Upgrade und DIII-D, wo mit Pellet-Injektion Dichten bis etwa 1,5-fach über dem Limit erreicht wurden. Das Neue an den EAST-Experimenten ist jedoch die Methode und der theoretische Rahmen.
Vergleich mit früheren Experimenten
Im Mai 2024 hatte ein Team am US-amerikanischen DIII-D-Tokamak die Greenwald-Grenze um 20 Prozent überschritten – allerdings nur für 2,2 Sekunden. Die chinesischen Experimente am EAST erreichten laut den veröffentlichten Daten Plasmaentladungen von etwa 6 bis 7 Sekunden Dauer – also rund dreimal so lange. Zudem übertraf die erreichte Dichte mit bis zu 65 Prozent über dem Greenwald-Limit den Wert der US-Experimente deutlich.
Diese Kombination aus höherer Dichte und längerer Dauer deutet darauf hin, dass das Verfahren einen stabileren Betriebsmodus ermöglicht. Für künftige Fusionskraftwerke wäre das entscheidend: Sie müssten hohe Dichten über Minuten oder sogar Stunden aufrechterhalten können.
Mikrowellenheizung und höherer Gasdruck als Schlüssel
Das Team am EAST in Hefei kombinierte zwei Maßnahmen bereits während der Startphase des Reaktors: Zum einen setzten die Forscher sogenannte Elektronenzyklotronresonanzheizung (ECRH) ein – dabei werden Mikrowellen eingestrahlt, die gezielt die Elektronen im Plasma aufheizen. Zum anderen erhöhten sie den Anfangsdruck des Brenngases Deuterium.
Diese Kombination führte zu einer kühleren Randzone des Plasmas an den Reaktorwänden. Das ist entscheidend: Bei niedrigeren Temperaturen werden weniger Atome aus dem Wandmaterial – hier Wolfram – herausgeschlagen. Diese Verunreinigungen würden sonst ins Plasma gelangen und es durch Abstrahlung von Energie abkühlen. Durch die Optimierung der Plasma-Wand-Wechselwirkung von Beginn an wurden Verunreinigungen und Energieverluste reduziert. Mit saubererem Plasma blieb die Entladung stabil, obwohl die Dichte das 1,3- bis 1,65-fache der Greenwald-Grenze erreichte.
Theorie französischer Physiker erstmals bestätigt
Die Experimente bestätigen nach Angaben der Autoren eine 2022 von Physikern um Dominique Escande vom französischen Forschungszentrum CNRS und der Universität Aix-Marseille aufgestellte Theorie zur „Plasma-Wand-Selbstorganisation“ (PWSO). Diese unterscheidet zwei Betriebsbereiche: Im klassischen „Dichtegrenz-Regime“ ist die Plasmatemperatur an den Reaktorwänden relativ hoch, was zu stärkerem Abtrag von Wandmaterial führt – hier gilt die bekannte Greenwald-Grenze. Im sogenannten „dichtefreien Regime“ hingegen ist die Wandtemperatur so niedrig, dass kaum Material abgetragen wird und das Plasma sauber bleibt. Der Begriff „dichtefrei“ bedeutet dabei nicht, dass das Plasma keine Dichte hat, sondern dass keine praktische Dichtegrenze mehr existiert – die theoretische Obergrenze verschiebt sich zu extrem hohen Werten.
Entscheidend für den Zugang zum dichtefreien Regime ist laut der Theorie die Verwendung von Hochtemperatur-Metallen wie Wolfram als Wandmaterial: Das Schwermetall gibt bei niedrigen Temperaturen kaum Partikel an das Plasma ab, anders als etwa Kohlenstoff. Die EAST-Experimente haben dieses Konzept nach Darstellung der Forscher nun erstmals experimentell bestätigt.
Der EAST-Reaktor hatte bereits im Januar 2025 einen Rekord aufgestellt: Damals gelang es, ein Plasma mit über 100 Millionen Grad Celsius knapp 18 Minuten lang stabil zu halten. Die jetzt veröffentlichten Ergebnisse zur Dichtegrenze stammen aus einer anderen Versuchsreihe und adressieren einen anderen Aspekt der Fusionsforschung: Während der Januar-Rekord die Einschlusszeit maximierte, ging es nun darum, die höchstmögliche Dichte zu erreichen – zwei Parameter, die sich bislang gegenseitig einschränkten.
Bedeutung für künftige Reaktoren
Die Ergebnisse könnten einen Weg zeigen, die Leistung von Fusionsreaktoren zu steigern. Das Verfahren ließe sich prinzipiell auch auf andere Anlagen übertragen – einschließlich des internationalen Forschungsreaktors ITER, der derzeit in Südfrankreich gebaut wird und an dem auch China beteiligt ist. In Deutschland betreibt das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik zwei wichtige Versuchsanlagen: den Tokamak ASDEX Upgrade in Garching und den Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald.
Als nächsten Schritt wollen die chinesischen Forscher das Verfahren im sogenannten H-Mode testen – einem besonders effizienten Betriebsmodus, bei dem das Plasma von einer Randbarriere eingeschlossen wird und weniger Energie verliert. „Wir planen, die neue Methode bald während des Hocheinschluss-Betriebs am EAST anzuwenden, um das dichtefreie Regime unter Hochleistungs-Plasmabedingungen zu erreichen“, sagte Associate Prof. Yan. Gelänge das, wäre es ein weiterer Schritt auf dem langen Weg zur kommerziellen Kernfusion.
(vza)
