Princeton Plasma Physics Laboratory

Aufgabe und Entwicklung des Labors

Das Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) ist eine Forschungseinrichtung des US-Energieministeriums auf dem Forrestal Campus der Princeton University. Es liegt im Plainsboro Township im Bundesstaat New Jersey, umfasst 30 Gebäude auf etwa 0,367 km² und erforscht Plasmaphysik sowie die Kernfusion als Energiequelle. Plasma ist ein ionisiertes Gas; bei der Kernfusion sollen Atomkerne Energie freisetzen. Ein zentrales Forschungsproblem ist der magnetische Einschluss, also das Halten eines sehr heißen Plasmas durch Magnetfelder.

PPPL ist besonders für die Entwicklung von Stellarator- und Tokamak-Designs sowie für andere Konzepte des Plasmaeinschlusses bekannt. Ein Stellarator formt den magnetischen Einschluss durch seine komplexe Bauform; ein Tokamak nutzt eine ringförmige Plasmakammer und Magnetfelder. Das Labor ging aus dem streng geheimen Projekt Matterhorn hervor, das im Kalten Krieg thermonukleare Reaktionen kontrollieren sollte. 1951 verlagerte sich dessen Schwerpunkt von der Entwicklung von H-Bomben zur friedlichen Nutzung der Kernfusion. Lyman Spitzer entwickelte damals den Stellarator als gefördertes Konzept des magnetischen Einschlusses. Nach dem Ende der Geheimhaltung erhielt Project Matterhorn 1961 den Namen Princeton Plasma Physics Laboratory.

Die frühen Stellaratoren des PPPL erreichten nicht die erwartete Leistung. Berichte aus der Sowjetunion über sehr gute Tokamak-Ergebnisse führten 1968 dazu, den PPPL Stellarator Modell C in einen Tokamak umzuwandeln. Danach wurde PPPL weltweit führend in Tokamak-Theorie und -Design. Zu den rekordbrechenden Fusionsreaktoren zählen der Princeton Large Torus und TFTR. Kleinere Anlagen wie ATC, NSTX und LTX dienten dazu, einzelne Probleme und Lösungen zu untersuchen. Das 2003 begonnene National Compact Stellarator Experiment wurde wegen überschrittener Projektkosten nicht fertiggestellt; das Projekt wurde 2008 gestoppt.

2016 arbeiteten am PPPL 500 Vollzeitkräfte und 40 Studenten; etwa 350 Gastwissenschaftler kamen zusätzlich an das Labor. Das Gesamtbudget betrug 2016 92,92 Millionen US-Dollar.

Experimente und internationale Zusammenarbeit

Das National Spherical Torus Experiment (NSTX) nahm 1999 den Betrieb auf. Nach einem vierjährigen Upgrade lief NSTX-U 2016 zehn Wochen, bevor ein zerstörerischer Quench eines Magneten den Betrieb beendete. Ein Quench ist der plötzliche Verlust der Supraleitfähigkeit eines Magneten. Dieser Magnet und fünf baugleiche Magnete sollten in den folgenden Jahren ersetzt werden (Stand 2020). Das Lithium Tokamak Experiment (LTX-β) untersucht Lithium als Flüssigmetall-Wand in Fusionsreaktoren.

PPPL-Forscher arbeiten an nationalen und internationalen Fusionsexperimenten mit, darunter DIII-D in San Diego, EAST in China, JET im Vereinigten Königreich, KSTAR in Südkorea, LHD in Japan, Wendelstein 7-X (W7-X) in Deutschland und ITER in Frankreich. ITER ist der International Thermonuclear Experimental Reactor.

Gemeinsam mit dem Oak Ridge National Laboratory und dem Savannah River National Laboratory verwaltet PPPL die US-amerikanischen ITER-Projektaktivitäten. 2017 lieferte das Labor 75 % der Komponenten für das elektrische Netzwerk des Fusionsenergieexperiments. Außerdem leitete es die Entwicklung und den Bau von sechs Diagnostiken, also Messsystemen zur Analyse von ITER-Plasmen. Der PPPL-Physiker Richard Hawryluk war von 2011 bis 2013 stellvertretender ITER-Generaldirektor. 2022 entwickelten PPPL-Wissenschaftler zusammen mit Forschern anderer nationaler Einrichtungen und Universitäten im US ITER Research Program Basic Research Needs Workshop über mehrere Monate einen US-ITER-Forschungsplan. PPPL möchte die Entwicklung der Fusionsenergie außerdem durch öffentlich-private Partnerschaften beschleunigen.