Kernfusionsforschung EAST-Tokamak-Experimente überschreiten Plasma-Dichtegrenze

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Seit Jahrzehnten gilt die Plasmadichte im Tokamak als physikalisch begrenzt. Experimente am chinesischen EAST-Tokamak zeigen nun erstmals, dass diese Grenze nicht fundamental ist.

In einem bedeutenden Fortschritt für die Kernfusionsforschung hat das chinesische EAST-Tokamak-Experiment („Experimental Advanced Superconducting Tokamak“) erstmals in der Praxis einen theoretisch vorhergesagten Betriebszustand erreicht, bei dem Plasma stabil bleibt, obwohl es weit über den bislang als unüberwindbar geltenden Dichtegrenzen operiert. Diese Ergebnisse wurden am 1. Januar 2026 in Science Advances veröffentlicht und markieren einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Fusionszündung.

Für die kontrollierte Kernfusion, etwa bei der Verbindung von Deuterium und Tritium, ist es entscheidend, ein Plasma bei extrem hohen Temperaturen (13 keV, somit 150 Millionen Kelvin) und hoher Dichte über längere Zeit zu halten, damit genügend Fusionsreaktionen stattfinden. Die Fusionsleistung steigt ungefähr mit dem Quadrat der Dichte. Dabei steht die Forschung vor einem zentralen Problem: dem sogenannten Greenwald-Limit, einem empirisch ermittelten Grenzwert, bei dem zu dichte Plasmen instabil werden und schließlich auseinanderbrechen. Solche Instabilitäten sind nicht nur leistungshinderlich, sondern können die empfindliche Tokamak-Anlage gefährden.

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Plasmawand-Selbstorganisation: Eine neue theoretische Perspektive

Ein kürzlich entwickelter theoretischer Ansatz, die Plasma-Wall Self-Organization (PWSO)-Theorie, geht davon aus, dass das klassische Dichtelimit nicht absolut ist, sondern durch Wechselwirkungen zwischen Plasma und Wandmaterial der Reaktorhülle entsteht. Diese Wechselwirkungen bestimmen, wie viel Materie und Energie an den Wandflächen verloren gehen und wie stark Verunreinigungen ins Plasma gelangen. Wird dieser Austausch so gesteuert, dass die Randregionen des Plasmas kühl und sauber bleiben, kann ein „dichtefreier“ Betriebszustand erreicht werden, in dem das Plasma weit höhere Dichten aufrechterhält, ohne zu destabilisieren.

EAST-Ergebnisse: Stabil über dem Dichtelimit

Im Rahmen der Experimente am EAST in Hefei (China) kombinierte das Team um Prof. Zhu Ping und Assoc. Prof. Yan Ning gezielt zwei Maßnahmen. Zum einen die Kontrolle des initialen Brenngasdrucks, um von Beginn an eine vorteilhafte Randstruktur im Plasma zu schaffen. Zum anderen die Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH) während der Startphase, um Elektronen gezielt und frühzeitig zu erhitzen und so die Plasmareinigung zu verbessern.

Durch diese Steuerung der Anfangsbedingungen konnte die Grenze herkömmlicher dichtesteigernder Instabilitäten umgangen werden: EAST erreichte Plasma-Dichten im Bereich von 1,3 bis 1,65 Mal des Greenwald-Limits, während das Plasma weiterhin stabil blieb und das über mehrere Sekunden lang. Das ist nicht nur ein signifikanter Überschuss gegenüber den üblichen Betriebsgrenzen, sondern auch ein Fortschritt gegenüber früheren Experimenten an anderen Maschinen, bei denen diese Überschreitungen oft nur kurzfristig und unter speziellen Bedingungen möglich waren.

Physikalische Mechanismen und Bedeutung

Die positiven Effekte der angewandten Methode lassen sich physikalisch so erklären, dass durch eine kühlere Plasmarandzone weniger Material von den Wandoberflächen – in EAST überwiegend Wolfram – abgesputtert wird. Dadurch gelangen weniger Fremdatome in das Plasma, die sonst Energie durch Strahlung verlieren und Instabilitäten fördern würden. Durch diese verbesserte Plasma-wand-Interaktion konnte die theoretisch vorhergesagte dichtefreie Phase tatsächlich experimentell bestätigt werden.

Ausblick: Auf dem Weg zur Zündung

Die Ergebnisse eröffnen eine praktisch nutzbare und theoretisch gut begründete Strategie, um die Dichtegrenzen innerhalb von Tokamaks weiter zu verschieben. Damit werden die Anforderungen an künftige Fusionsanlagen wie ITER oder andere große Brennplasma-Experimente besser erreichbar. Laut den Forschenden sollen die gewonnenen Erkenntnisse bald auch auf Hochleistungs-Plasmen angewandt werden, um im nächsten Schritt das dichtefreie Regime bei noch höherer Energie- und Leistungsdichte zu demonstrieren.

Die jüngsten Experimente am EAST-Tokamak haben erstmals praktisch gezeigt, dass theoretisch postulierte Betriebszustände jenseits klassischer Dichtegrenzen stabil nutzbar sind. (mr)

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