Ein verschwindendes Fest: Mittlere Ströme bleiben nach dem Verzehr von Wirbeln dünn

Eine leichte Erhöhung der Heizleistung kann jedoch die Turbulenzen in der Nähe des Tokamak-Randes verringern und dazu führen, dass die Energie viel weniger leckt. Dieser neue Zustand des hohen Einschlusses, technisch als "H-Mode" bekannt und 1982 in Deutschland entdeckt, eröffnete einen vielversprechenden neuen Weg zur Erzeugung von Fusionsenergie.

Dennoch gibt es keine schlüssige Erklärung für die verschwundenen Turbulenzen. Ein beliebter Konkurrent, das "Raubtier-Beute" -Modell, geht davon aus, dass die Turbulenzen ihre gesamte Energie spontan in ein gutartiges Wirbeln des Plasmas, das als "mittlerer Fluss" bezeichnet wird und keine Wärme transportiert. Nach diesem Modell wirkt das Spinnen wie ein Raubtier, das sich in den Turbulenzen von Wirbeln (Beute) ernährt. Wenn das Raubtier zu erfolgreich ist, sinkt die Population der Wirbel und die mittleren Ströme (Raubtiere) wachsen entsprechend.Das Raubtier-Beutemodell legt nahe, dass die Energie in den mittleren Strömungen um ungefähr den gleichen Betrag zunehmen muss, um den die Energie in den Turbulenzen abnimmt. Aber passiert das wirklich?

Im Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums haben Forscher herausgefunden, dass dies nicht der Fall ist. Sie verwendeten eine GPI-Diagnose (Gas Puff Imaging), mit der sie turbulente Plasmaschwankungen im Randbereich des National Spherical Torus Experiment (NSTX) von PPPL, der Flaggschiff-Fusionsanlage des Labors, direkt erkennen konnten.

Das Einpumpen kleiner Mengen neutralen Gases in das Plasma bewirkte, dass die Neutralen mit dem Plasma wechselwirkten und leuchteten. Eine schnelle Kamera zeichnete Filme dieses Glanzes auf und zeigte, wie sich die Turbulenzen in Raum und Zeit entwickelten. Die Forscher konnten auch die Geschwindigkeit des Plasmas ableiten. Dies ermöglichte die Bewertung sowohl der Energie in den turbulenten Schwankungen als auch in den mittleren Strömungen und lieferte eine direkte Überprüfung, ob die Entwicklung dieser Bedingungen die Erwartungen des Raubtier-Beutemodells erfüllt.

Überraschenderweise war die Antwort ein klares "Nein". Durch sorgfältiges Abwägen der Energie in den Strömungen und Turbulenzen unter Berücksichtigung aller wichtigen Begriffe stellten sie fest, dass die Energie in den mittleren Strömungen bei NSTX - selbst im H-Modus - niemals mehr als etwa 1 Prozent der Energie in den Turbulenzen ausmachte vor dem Übergang in den H-Modus. Dies zeigte deutlich, dass die Verringerung der Turbulenzenergie nicht durch die Erhöhung der mittleren Strömungsenergie erklärt werden konnte, was das Raubtier-Beutemodell ausschließt.

Mit diesem Ergebnis vertieft sich das Geheimnis des H-Modus wieder. Wenn jedoch eine Erklärung ausgeschlossen wird, können die Ergebnisse von NSTX die Bemühungen auf andere Konkurrenten konzentrieren, was die Chancen erhöht, die Physik hinter dem mysteriösen "H-Modus" zu identifizieren und die Fähigkeit zu erleichtern, ihn für den Erfolg zukünftiger Fusionsreaktoren einzusetzen.