Keine Zickzacks mehr

Säge­zahn­schwan­kun­gen lassen sich allerorts finden: von Aktien­kursen an der Wall Street bis hin zu Meeres­wellen sorgt das Auf- und Ab­ge­zuppel ausge­wählter Mess­werte für diese nicht immer erwünschten Muster. Besonders uner­wünschte Neben­effekte haben sie in Tokamak-Reaktoren, wo sie als perio­dische Verän­derungen in Temperatur und Dichte des Fusions­plasmas auftreten. In Kombi­nation mit anderen Plasma­instabi­litäten können diese Schwan­kungen einen kom­plet­ten Sturm auslösen, der die Fusions­reaktion stoppt. Dank eines bisher unver­standenen Mecha­nismus sind einige Plasmen jedoch frei von solchen Säge­zahn­schwin­gungen.

Isabel Krebs stellte die bahn­brechen­den Arbeiten in Physics of Plasmas vor. (Bild: Elle Starkman / PPPL)

Forscher am Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energie­minis­te­riums DoE haben kürzlich komplexe Simu­lationen dieses Prozesses erstellt und die Physik hinter diesem Mecha­nismus, der als „magnetic flux pumping“ bezeichnet wird, aufgedeckt. Ihre Ergebnisse können die Ent­wicklung der Fusions­energie voran­treiben. Dieser Mecha­nismus begrenzt nämlich den Strom im Kern des Plasmas. Dieser ergänzt das äußere Magnet­feld und sorgt für den erforder­lichen Einschluss des Plasmas im Reaktor. Wird er jedoch zu stark, kann er besagte Säge­zahn-Insta­bilitäten auslösen. Das „magnetic flux pumping“ kann dies jedoch verhindern.

An der Spitze des Teams, das diesen Prozess aufdeckte, stand die Physikerin Isabel Krebs, Haupt­autorin eines in Physics of Plasmas erschienen Artikels, der die Ergebnisse zusammen­fasst und als Highlight des DoE Office of Science ausgewählt wurde. Die Post­doktorandin Krebs benutzte den von PPPL entwickelten M3D-C1-Code, um den Prozess auf dem Hoch­leistungs­computer-Cluster von PPPL zu simulieren, wobei sie eng mit den theo­retischen Physikern Stephen Jardin und Nate Ferraro, den Entwicklern des Codes, zusammen­arbeitete. „Der Mechanismus hinter dem Pumpen des magnetischen Flusses war noch nicht ver­standen“, sagte Jardin. „Isabels Papier beschreibt ihn nun genau.“

In den PPPL-Simulationen entwickelt sich das „magnetic flux pumping“ in „hybriden Szenarien“. Diese liegen zwischen Standard­regimen – zu denen hoch-ein­ge­schlos­sene- (H-Mode) und niedrig-ein­geschlos­sene- (L-Mode) Plasmen gehören – und fort­geschrit­tenen Szena­rien, in denen das Plasma im statio­nären Zustand arbeitet. In den hybriden Szenarien bleibt der Strom im Kern des Plasmas konstant, während der Druck im Plasma ausreichend hoch bleibt.

Diese Kombination erzeugt einen sogenannten „Quasi-Austausch­modus“, der wie ein Mixer wirkt, der das Plasma aufrührt und dabei das Magnet­feld deformiert. Der Mixer erzeugt einen kraftvollen Effekt, der die Gleich­mäßigkeit des Stroms aufrecht­erhält und die Bildung der Säge­zahn­instabilität verhindert. Ein ähnliches Verfahren erhält das Magnet­feld, das die Erde vor kos­mischer Strah­lung schützt, wobei die geschmol­zene Flüssig­keit im Eisen­kern des Planeten als Mischer dient.

Wie die Simulationen zeigen, ist dieser er Mechanis­mus selbst­regulierend. Wenn das Fluss­pumpen zu stark wird, bleibt der Strom im Kern des Plasmas „knapp unter­halb der Schwelle für die Säge­zahn­instabilität“, so Krebs. Indem der Strom unterhalb dieser Schwelle bleibt, verhindert er die Zick­zack-Schwan­kungen in Tempe­ratur und die Dichte des Plasmas.

Die Simulationen können zu Maß­nahmen führen, um die störenden Schwan­kun­gen in Fusions­plasmen zu vermeiden. „Dies kann künftig auch für große Fusions­experimente wie ITER von großem Inter­esse sein“, meint Krebs. Für ITER, das große inter­nationale Fusions­experiment in Frankreich, könnte die Schaf­fung eines hybriden Szenarios zu einem Säge­zahn­instabilitäten verhindernden „magnetic flux pumping“ führen.
Zur Entwicklung des hybriden Szenarios für ITER müsste das Timing der Neutral­strahl­leistung, die das ITER-Plasma auf Fusions­temperaturen erwärmt, angepasst werden. Solche Experimente könnten zu einer Kombination aus Plasma­strom und Druck führen, die einen sägezahnfreien Betrieb ermöglicht. (Quelle: PPPL / vip-journal.de)

Referenz: I. Krebs et al.: Magnetic flux pumping in 3D nonlinear magnetohydrodynamic simulations Physics of Plasmas 24 (2017) 102511; DOI: 10.1063/1.4990704

Links: Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL),  US DoE national laboratory, Princeton, NJ, USAUS Department of Energy (DOE) Office of Science, Washington, DC, USA

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