RF-Specific Tungsten Erosion and Global Transport in ITER under Neon Seeding

Im Inneren der massiven, doughnutförmigen Maschine, die als Fusionsreaktor bekannt ist, versuchen Wissenschaftler, die Kraft der Sonne nachzubilden. Um dies zu erreichen, müssen sie eine Gaswolke, das sogenannte Plasma, auf Temperaturen erhitzen, die weit heißer sind als der Kern der Sonne. Eines der leistungsstärksten Werkzeuge zur Erwärmung dieses Plasmas ist ein System, das es mit hochfrequenten Radiowellen beschießt, ähnlich der Energie, die in einer Mikrowelle verwendet wird, aber in einem völlig anderen Maßstab. Diese starken Wellen können sich jedoch manchmal unvorhersehbar verhalten, wenn sie auf die Metallwände des Reaktors treffen. Genau wie ein Radiosignal statisches Rauschen in einem Lautsprecher erzeugen kann, können diese Wellen direkt an der Oberfläche der Komponenten der Maschine starke elektrische Felder aufbauen. Wenn diese Felder zu stark werden, können sie wie ein gewalttätiger Beschleuniger wirken, der Atome aus den Wänden des Reaktors in das Plasma schleudert und potenziell die Reaktion vergiftet.

Der Internationale Thermonukleare Experimentelle Reaktor, oder ITER, ist der weltweit größte Versuch, ein funktionierender Fusionskraftwerk zu bauen. Er wird für seine Innenwände ein spezielles Metall namens Wolfram verwenden, da dieses Metall extremer Hitze standhalten kann. Aber Wolfram ist schwer, und selbst eine winzige Menge davon, die in dem superheißen Plasma schwebt, kann die Reaktion abkühlen und die Energiegewinnung stoppen. Wissenschaftler wussten schon lange, dass die Radiowellen, die das Plasma erhitzen, die Wolframwände abtragen könnten, aber ihnen fehlte ein vollständiges Bild davon, wie viel Schaden genau entstehen würde oder wohin das abgetragene Material gelangen würde. Eine neue Studie von Forschern des Oak Ridge National Laboratory, der ITER Organization und mehrerer anderer Institutionen hat diese fehlenden Teile nun endlich ergänzt. Durch den Bau eines hochentwickelten Computermodells, das die gesamte Reaktorumgebung simuliert, haben sie vorhergesagt, wie genau die Radiowellen mit den Wänden interagieren und wie viel Wolfram unter den spezifischen Bedingungen, die ITER plant, abgetragen wird.

Die Forscher konzentrierten sich auf ein Szenario, bei dem der Reaktor mit Neon-Gas gefüllt ist – eine Technik, die dazu dient, die intensive Hitze, die aus dem Plasma fließt, zu kontrollieren. In dieser Umgebung erzeugen die Radiowellen ein komplexes, unsichtbares elektrisches Feld direkt neben der Antenne, die die Wellen in das Plasma sendet. Dieses Feld wirkt wie eine Rampe, die Ionen – geladene Atome des Neon-Gases und des Brennstoffs selbst – in Richtung der Wolframwände beschleunigt. Wenn diese schnell beweglichen Ionen auf die Wand treffen, schlagen sie Wolframatome heraus. Das Team nutzte ein detailliertes Simulationsframework namens STRIPE, um diesen Prozess von Anfang bis Ende zu verfolgen. Sie kombinierten ein Modell des Plasmaflusses mit Berechnungen darüber, wie die Radiowellen sich verhalten, wie die Ionen beschleunigt werden und wie sich die abgeschlagenen Wolframatome durch die Maschine bewegen.

Die Ergebnisse der Simulation waren beeindruckend. Unter dem Einfluss der Radiowellen können die elektrischen Felder in der Nähe der Antennenwände Spannungen von bis zu 3.000 Volt erreichen. Dies ist weitaus höher als die natürlichen elektrischen Felder, die ohne die Radiowellen im Plasma existieren. Aufgrund dieses zusätzlichen Schubs erhöht sich die Menge des von den Wänden abgeschlagenen Wolframs dramatisch. Die Studie ergab, dass die Gesamtmenge des von der Antennenregion abgetragenen Wolframs etwa 64 Mal größer ist, als wenn die Radiowellen nicht vorhanden wären. Dies erzeugt eine Quelle von etwa 3,34 Trillion (3,34 billion billion im Englischen) Wolframatomen pro Sekunde. Doch die Geschichte endet nicht mit der Erosion. Die Forscher verfolgten auch, wohin diese Atome gelangten. Sie fanden heraus, dass etwa 90 Prozent des erodierten Wolframs den unmittelbaren Bereich verlassen und in den Rest des Reaktors reisen, während nur etwa om 10 Prozent wieder auf der nahegelegenen Wand landen.

Die vielleicht überraschendste Erkenntnis war nicht nur, wie viel Wolfram verloren ging, sondern was es verursachte, das die Atome herausschlug. Wissenschaftler waren davon ausgegangen, dass die am stärksten geladenen Neonatome die Hauptverursacher sein würden, da sie durch die elektrischen Felder die meiste Geschwindigkeit gewinnen würden. Stattdessen zeigte die Simulation, dass eine Mischung aus Neonatomen mit niedrigen und mittleren Ladungszuständen für den Großteil des Schadens verantwortlich war. Dies geschah, weil es schlichtweg viel mehr dieser moderat geladenen Atome gab, die gegen die Wand prallten, obwohl jedes einzelne Atom mit weniger Kraft einschlug als die hochgeladenen. Die Studie zeigte auch, dass der Ort des schlimmsten Schadens nicht exakt dort lag, wo das elektrische Feld am stärksten war. Die Erosion war dort am höchsten, wo das starke elektrische Feld mit einer hohen Dichte an einströmenden Plasma-Partikeln überlappte. Es war die Kombination aus einem starken Stoß und einer großen Menge an Partikeln, die den meisten Verschleiß verursachte, statt das elektrische Feld allein.

Trotz der massiven Zunahme der Erosion durch die Radiowellen kamen die Forscher zu dem Schluss, dass diese spezifische Quelle von Wolfram unwahrscheinlich das Hauptproblem für den Reator sein wird. Als sie die Menge des von der Antenne kommenden Wolframs mit der Menge verglichen, die aus dem Rest der Reaktorwände stammt, war der Beitrag der Antenne verschwindend gering. Die Erosion durch die Antenne war etwa 1.000 Mal geringer als die Erosion am Boden des Reaktors (dem Divertor) und mehr als 100 Mal geringer als die Erosion der Wände der Hauptkammer. Selbst mit den Radiowellen, die die Antenne zu einer wesentlich aktiveren Quelle von Wolfram machen, bleibt die Gesamtmenge des in das Plasma eintretenden Metalls aus diesem Bereich klein genug, um die Gesamtverunreinigung des Reaktors nicht dominieren zu können.

Die Studie untersuchte auch, wie sich die Wolframatome im Reator bewegten, nachdem sie herausgeschlagen worden waren. Nach nur einem Bruchteil einer Sekunde befanden sich etwa 22 Prozent der mobilen Wolframatome, die in das Plasma eingetreten waren, in dem begrenzten Bereich, in dem die Fusionsreaktion stattfindet. Dies entspricht einer sehr geringen Konzentration, was darauf hindeutet, dass der natürliche Fluss des Plasmas effektiv darin ist, diese Verunreinigungen zu verdünnen. Die Arbeit zeigt, dass die Vorhersage des Verhaltens eines Fusionsreaktors erfordert, das gesamte System zusammen zu betrachten. Man kann nicht einfach berechnen, wie sehr eine Wand an einem bestimmten Punkt erodiert; man muss verstehen, wie die Radiowellen, der Plasmafluss, die Magnetfelder und die Bewegung von Verunreinigungen alle miteinander interagieren. Durch die erfolgreiche Verknüpfung dieser verschiedenen physikalischen Prozesse haben die Forscher ein leistungsstarkes neues Werkzeug für den Entwurf zukünftiger Reaktoren geschaffen. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass die Radiowellen zwar einen signifikanten lokalen Verschleiß an der Antenne verursachen werden, sie den Reator jedoch nicht mit Wolfram überfluten werden, was den Ingenieuren die Zuversicht gibt, dass das ITER-Design diese Wechselwirkungen effektiv bewältigen kann.