Jenseits des Greenwald-Limits: Chinas Tokamak erzielt neue Plasmadichten

Die Suche nach einer kontrollierten Kernfusion, die mehr Energie liefert als sie verbraucht, gilt als eines der größten wissenschaftlichen und technischen Ziele des 21. Jahrhunderts. Im Mittelpunkt dieser Forschung stehen sogenannte Tokamak-Reaktoren, ringförmige Apparate, in denen ein extrem heißes Plasma aus Wasserstoffisotopen magnetisch eingeschlossen wird. Bei Temperaturen von über hundert Millionen Grad Celsius bewegen sich die Atomkerne so schnell, dass sie verschmelzen können – ähnlich wie im Inneren der Sonne –, und dabei erhebliche Energiemengen freisetzen. Ein zentraler Hemmschuh auf dem Weg zur praktischen Fusion war bislang jedoch nicht nur das Erreichen solcher Temperaturen, sondern auch das stabile Halten dichter Plasmen über lange Zeiträume, ohne dass diese instabil werden und die Reaktoroperation abbrechen. Im Januar 2026 berichten Forscher:innen des chinesischen Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) nun über einen bedeutenden experimentellen Fortschritt, der diesen Engpass adressiert und neue Einsichten in die Plasmaphysik liefert.

Ein altes Limit neu gedacht

Seit den 1980er-Jahren begrenzt der sogenannte Greenwald-Grenzwert die erreichbare Plasmadichte in Tokamak-Experimenten. Er beschreibt eine empirische Obergrenze, oberhalb derer die Wechselwirkung zwischen dem heißen Plasma und der Reaktorwand typischerweise zu Störungen führt, die den Einschluss zusammenbrechen lassen. Je dichter das Plasma, desto höher wäre jedoch der theoretische Fusionsleistungsoutput, da die Fusionsleistung näherungsweise mit dem Quadrat der Dichte skaliert. Die EAST-Forscher:innen haben nun gezeigt, dass diese Grenze kein unverrückbares physikalisches Gesetz ist, sondern unter geeigneten Bedingungen überschritten werden kann.

In ihren Experimenten kombinierten sie eine gezielte Gaszufuhr mit hochfrequenter Mikrowellenbeheizung bereits in der frühen Phase der Plasmazündung. Dadurch ließ sich die Wechselwirkung zwischen Plasma und Wandmaterial so beeinflussen, dass ein stabiler Betriebszustand entstand, der sich dem klassischen Dichtelimit entzieht. In diesem sogenannten dichteunabhängigen Regime erreichten die Plasmen Dichten, die um etwa 30 bis 65 Prozent über dem Greenwald-Wert lagen, ohne dass es zu den sonst üblichen Instabilitäten kam.

Neue Einsichten durch gezielte Plasmakontrolle

Die theoretische Grundlage für diesen Erfolg liefert die Plasma-Wall-Self-Organization-Theorie. Sie beschreibt, wie sich das Zusammenspiel zwischen dem eingeschlossenen Plasma und den umgebenden Reaktorwänden selbstorganisiert einstellen kann, wenn die Randbedingungen gezielt gesteuert werden. Lange Zeit galt die Annahme, dass steigende Dichten zwangsläufig zu verstärkten Teilchen- und Energieverlusten an den Wänden führen müssen. Die EAST-Experimente legen nahe, dass diese Entwicklung nicht zwangsläufig ist, sondern aktiv beeinflusst werden kann.

Die experimentelle Bestätigung dieser Theorie gilt als wichtiger Fortschritt in der Plasmaphysik. Sie liefert nicht nur neue Messdaten, sondern auch konkrete Ansatzpunkte für die Auslegung zukünftiger Fusionsanlagen. Zhu Ping von der Huazhong University of Science and Technology sprach von einem „praktischen und skalierbaren Weg, um etablierte Dichtelimits in Tokamaks und künftigen Fusionsreaktoren zu erweitern“.

Ergebnisse liefern neue Ansätze

Trotz der erzielten Ergebnisse ist klar, dass ein stabiler Betrieb oberhalb des Greenwald-Limits nur einen Teil der Gesamtaufgabe darstellt. Für einen wirtschaftlichen Fusionsreaktor müssen zusätzlich hohe Temperaturen, lange Einschlusszeiten und eine positive Energiebilanz gleichzeitig erreicht werden. Dennoch besitzen die EAST-Resultate eine hohe Relevanz für internationale Großprojekte wie ITER, bei denen die Frage nach maximaler Plasmadichte eine zentrale Rolle spielt.

Die Möglichkeit, dichtere Plasmen stabil zu betreiben, eröffnet neue Spielräume bei der Auslegung zukünftiger Reaktorkonzepte. Sie erlaubt es, Leistungsziele unter Umständen mit kompakteren Anlagen oder geringeren Magnetfeldstärken zu verfolgen. Vor allem aber zeigt das Experiment, dass lange akzeptierte empirische Grenzen in der Fusionsforschung nicht zwingend endgültig sind, sondern durch ein besseres physikalisches Verständnis und präzisere Kontrolle neu verhandelt werden können.

via Chinese Academy of Sciences