Ein weiteres Projekt, das trotz seiner geringen Größe zur Kategorie der Megawissenschaften gehört, ist der Kurchatov-Tokamak T15-MD. Diese Anlage wird es Wissenschaftlern ermöglichen, Technologien zur kontrollierten Kernfusion zu erforschen und eine nahezu unerschöpfliche und umweltfreundliche Energiequelle zu erhalten.

Start des Jahres

2021, das in Russland zum Jahr der Wissenschaft und Technologie erklärt wurde, stand im Zeichen der Einführung der thermonuklearen Tokamak-Anlage T15-MD - einer Ringkammer mit Magnetspule.

Der Begriff "Tokamak" tauchte bereits in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts auf, als sowjetische Wissenschaftler ein donutförmiges Gerät erfanden, in dessen Zentrum ein Magnetfeld ein auf enorme Temperaturen erhitztes Plasma hält. Seitdem arbeiten russische Spezialisten immer noch am besten mit Tokamaks, und die 2021 gebaute Anlage hat aufgrund der Kombination aus hoher Leistung und kompakter Größe keine Analoga auf der Welt.

Tokamak T-15 MD wurde in 10 Jahren komplett in Russland entwickelt und gebaut. Dies ist eine modifizierte Version des T-15-Reaktors, der seit Ende der 1980er Jahre am Kurchatov-Institut in Betrieb ist. Es unterscheidet sich von seinem Vorgänger in D-Form - der T-15 hatte einen kreisförmigen Plasmaquerschnitt und war supraleitend. Der D-förmige Abschnitt des Plasmas wiederum ermöglicht es, einen verbesserten Einschlussmodus, den sogenannten H-Modus, zu erhalten. Der H-Modus ist ein Modus der Plasmaexistenz, wenn der Wärmeverlust von ihm stark abnimmt und die Temperatur im Zentrum ansteigt. Der H-Modus ist notwendig, um hohe Energieerträge aus der thermonuklearen Verbrennung in Tokamaks zu erzielen. Es ist auch möglich, solche Moden in einem Plasma mit kreisförmigem Querschnitt zu erhalten, jedoch können in einem D-förmigen Plasma viel ernsthaftere Ergebnisse erzielt werden. Tokamak T-15 MD ist Teil des internationalen thermonuklearen Projekts ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Dies ist die erste neue thermonukleare Anlage, die in Russland in den letzten 20 Jahren gebaut wurde.

„Für unser Land ist dies der erste mittelgroße Tokamak in D-Form. Es gibt einen "Globus-M2" in St. Petersburg, aber er ist in den linearen Abmessungen 3-4 mal kleiner als der T-15MD und kann in einen ziemlich geräumigen Raum einer gewöhnlichen Wohnung passen. Für den T-15DM wird bereits ein Raum von der Größe einer Werkstatt benötigt, er passt nicht in die Küche. Und der Maßstab ist in diesem Fall für hohe Plasmaparameter sehr wichtig "- sagte der Pressedienst des Kurchatov-Instituts-Forschungszentrums.

Der neue Tokamak ist nur so groß wie ein kleines Landhaus, doch die Aufgaben vor ihm liegen im kosmischen Maßstab: Er muss thermonukleare Reaktionen auslösen, die im Darm von Sternen ablaufen. Dies ist möglich aufgrund der Temperatur im Tokamak, die 100 Millionen Grad Celsius erreichen kann, was 8-mal höher ist als im Zentrum der Sonne. Tokamak T-15 MD wird zur Lösung von Forschungsproblemen eingesetzt. Die Beherrschung der Technologie der kontrollierten thermonuklearen Fusion (CTF) wird es ermöglichen, eine praktisch unerschöpfliche und ökologisch unbedenkliche Energiequelle zu gewinnen. Ein solcher Reaktor sollte dank seiner Fähigkeit, mit sicheren und erschwinglichen Brennstoffen - Deuterium und Tritium - zu arbeiten, dazu beitragen, Kernkraftwerke zu ersetzen. So kann die Kernfusion der Menschheit viele Jahre lang saubere Energie liefern, daher ist die Inbetriebnahme einer solchen Anlage ein großer Schritt auf diesem Weg.

Plasma- und andere Tokamak-Aufgaben

Auf dem T-15MD-Tokamak ist geplant, eine Reihe von Plasmaeigenschaften und Merkmalen des "Verhaltens" verschiedener Elemente in diesem Aggregatzustand zu untersuchen. Dazu gehören Turbulenz- und Transportprozesse sowie zonale Strömungen, die kritische Parameter sind, um Plasma in einem kontrollierten Zustand zu halten. Dazu ist geplant, Studien zur Rolle des elektrischen Felds und der Rotation beim Einschluss und Übergang von Plasma in verschiedene Modi durchzuführen. Für Wissenschaftler ist es besonders wichtig, den Übergang von Plasma in den sogenannten L-Modus zu untersuchen. Der L-Mode zeichnet sich durch eine negative Abhängigkeit der Plasmalebensdauer von der Heizleistung, sowie eine Verschlechterung des Plasmaeinschlusses (Verringerung der Lebensdauer) und interne Veränderungen der turbulenten Strömungen im Plasma aus. Einfach ausgedrückt besteht beim Umschalten in den L-Modus die Gefahr, dass der Plasma-Donut im Inneren des Tokamaks beim Erhitzen zusammenbricht und der Start erneut gestartet werden muss. Auch die Materialien der ersten Wand und des Divertors, die einer enormen Erwärmung standhalten müssen, werden untersucht. Zu den vielversprechenden Elementen zählen Bor, Beryllium, Lithium, Wolfram. Und dies ist keine vollständige Liste dessen, was Wissenschaftler lernen müssen.

„Fusion ist eine sehr komplexe und sehr teure Technologie. Und wir nehmen hier eine weltweit führende Position ein. Die Forschung auf diesem Gebiet führt uns zu neuer Energie, zur Entwicklung von Plasmatechnologien, neuen Materialien ... Das Kurchatov-Institut zeichnet sich seit jeher dadurch aus, dass wir von der Idee, die wir vorgeschlagen und formuliert haben, bis zum Endergebnis gearbeitet haben Umsetzung in die Praxis. Dies war beim Atomprojekt der Fall, und das gleiche passiert bei der Kernfusion“, betonte Mikhail Kovalchuk, Präsident des Kurchatov-Instituts, beim feierlichen Start des Reaktors. Plasmaforschung ist für Wissenschaftler von entscheidender Bedeutung. Zunächst müssen die Wissenschaftler die Art des Einschlusses von Energie und Partikeln im Plasma geschlossener Magnetfallen und als Folge davon die Wärme- und Partikelströme vom Plasma zur Wand der Vakuumkammer herausfinden. In Zukunft wird dies den Bau weiterer thermonuklearer Großprojekte ermöglichen und es der Menschheit ermöglichen, das Problem des steigenden Strombedarfs zu lösen, der jedes Jahr wächst.

Dies führt zu ernsthaften Fragen – welche Rolle spielen verschiedene Parameter beim Plasmaeinschluss, wie beeinflussen Turbulenzen, elektrische Felder oder Plasmatemperaturprofile den Einschluss und die Flüsse. Wissenschaftler wissen bereits viel darüber, aber sie müssen noch viel lernen. Neben rein physikalischen Problemen, bei denen es um das Studium von Strömungen, Turbulenzen und der Rolle des elektrischen Feldes beim Einschluss geht, gibt es auch technologische Studien. Dazu gehören die Plasma-Wand-Interaktion, die Untersuchung der Materialien der ersten Wand der Vakuumkammer, die Aufrechterhaltung des Plasmastroms durch nicht-induktive Methoden und die Verhinderung von Plasmaunterbrechungen. Wissenschaftler werden Antworten auf viele dieser Fragen erhalten, wenn der Tokamak T 15-MD seine volle Einsatzfähigkeit erreicht. Die Modernisierung des Reaktors soll bis 2024 abgeschlossen sein.

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