Untersuchungen des Helium-Transports mit Ladungsaustausch-Rekombinations-Spektroskopie

Ein ausreichend hoher Helium-Transport im Plasma ist kritisch für den erfolgreichen Betrieb zukünftiger Fusionsreaktoren, da sonst die Akkumulation der Helium-”Asche” den Fusionskraftstoff zu stark verdünnen würde.

Die Heliumdichte im Plasma kann mit Ladungsaustausch-Rekombinations-Spektroskopie am Neutralstrahl gemessen werden. Zum Signal tragen aber auch rekombinierte He-Ionen bei, die sich vom Neutralstrahl entlang der magnetischen Feldlinien wegbewegen und dabei Strahlung fern vom Neutralstrahl emittieren (Plume-Effekt). Für die Interpretation der gemessenen Spektren wurde bei ASDEX Upgrade ein Modell der Plume-Emission entwickelt. Die injizierten Neutralteilchen und die Verteilung der Plume-Ionen im Plasma sind in der Abbildung gezeigt. Das Modell kann alle Spektren vollständig beschreiben und enthält damit alle wichtigen physikalischen Mechanismen.

Abbildung: Das linke Bild zeigt die injizierten Neutralteilchen. Die Helium-Ionen aus dem Plume werden durch Ladungsaustausch-Reaktionen in diesem Volumen erzeugt. Die räumliche Verteilung der Plume-Ionen entlang den Magnetfeldlinien ist rechts abgebildet. Bild vergrößern
Abbildung: Das linke Bild zeigt die injizierten Neutralteilchen. Die Helium-Ionen aus dem Plume werden durch Ladungsaustausch-Reaktionen in diesem Volumen erzeugt. Die räumliche Verteilung der Plume-Ionen entlang den Magnetfeldlinien ist rechts abgebildet. [weniger]

Nachdem genaue Heliumdichten jetzt abgeleitet werden können, wurden Untersuchungen des Helium-Transports durchgeführt. Die Profile der Heliumdichte erwiesen sich denen der Elektronendichte sehr ähnlich, jedoch gibt es deutliche Unterschiede zwischen Helium und Bor. Theoretische Vorhersagen des turbulenten Transports, der mit gyrokinetischen Modellen berechnet wurde, zeigen in generellen Trends eine gute Übereinstimmung mit den Messungen. Im Detail wird die Theorie aber nicht durch die Messdaten validiert.  Mit dieser Arbeit hat Athina Kappatou an der Universität Eindhoven promoviert.

Erste Experimente mit dem neuen Divertormanipulator an ASDEX Upgrade

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Gleichzeitig mit dem Einbau eines Divertors aus massiven Wolframziegeln wurde ein neues Manipulatorsystem entwickelt, das es gestattet, komplette Testziegel im Divertor von ASDEX Upgrade zu exponieren (Bild oben). Da die Proben über eine Luftschleuse ausgewechselt werden können, ist es möglich den Einfluss von Plasma-Material-Wechselwirkungen auf die Proben außerhalb des ASDEX Upgrade-Vakuums detailliert zu untersuchen. Dazu steht am IPP eine Vielzahl oberflächenanalytischer Methoden zur Verfügung. Der neue Manipulator ist das erste System mit dem Proben in der Größe ganzer Targetplatten exponiert und zwischen Experimentiertagen ausgetauscht werden können. Dabei können auch aktiv gekühlte Komponenten eingesetzt werden, was weltweit einmalig Tests von Targetplattenkonzepten unter realistischer Magnetfeldgeometrie und Plasmabelastung ermöglichen wird. In der Experimentkampagne 2014 wurde der Manipulator erfolgreich in Betrieb genommen. Das erste Experiment diente der Untersuchung von Erosionseigenschaften des Divertormaterials Wolfram. Zum einen wurde der Einfluss der Oberflächenrauhigkeit auf die Wolframzerstäubung quantitativ bestimmt. Ein weiterer Punkt war der direkte Nachweis prompter Redeponierung zerstäubter Wolframatome während ihres ersten Gyro-Orbits nach Ionisation. Um die dazu notwendigen Oberflächenanalysen zu vereinfachen, wurden zwei Targetplatten mit Intarsienproben verwendet. Diese Proben wurden mit Markerschichten versehen, deren Dicke vor- und nach einer Exponierung vermessen wurde, um Erosionsraten des Markermaterials zu bestimmen. Gleichzeitig kann mit demselben Messverfahren auch die Deponierungsrate von Plasmaverunreinigungen auf der Oberfläche quantitativ bestimmt werden. Beide Größen sind essentiell zur Abschätzung der Lebensdauer der Divertortargetplatten, die entscheidend zu den Betriebskosten eines Fusionsreaktors beiträgt.

Zeitliche Entwicklung des radialen Dichteprofils schneller Ionen wärend mehrerer Sägezahn-Zyklen. Bild vergrößern
Zeitliche Entwicklung des radialen Dichteprofils schneller Ionen wärend mehrerer Sägezahn-Zyklen.

Spektroskopische Untersuchung von schnellen Ionen in ASDEX Upgrade

Erstmals konnte die Verteilung von schnellen, supra-thermischen Ionen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung in ASDEX Upgrade gemessen werden. Ein neu entwickeltes Spektrometer und spezielle Optiken im Vakuum-Gefäß von ASDEX Upgrade wurden verwendet um Balmer-α-Strahlung zu untersuchen, die von schnellen Ionen nach Ladungsaustausch-Reaktionen emittiert wird. Die gemessene Doppler-Verschiebung und Intensität dieser Linienstrahlung enthalten Informationen über die Dichte und Geschwindigkeit der schnellen Ionen und können mit theoretisch berechneten Spektren verglichen werden. Experimente ohne starke Plasmainstabilitäten zeigen hierbei, dass der radiale Transport der schnellen Teilchen hauptsächlich durch Stöße mit thermischen Elektronen und Ionen beschrieben werden kann. Wenn jedoch Instabilitäten auftreten, z.B. Sägezähne, dann weichen die einfachen theoretischen Berechnungen stark von der Messung ab. Wie im Bild zu sehen, bewirkt die Sägezahn-Instabilität eine sehr starke Änderung des radialen Dichte-Profils der schnellen Teilchen als Funktion der Zeit.

GEIGER, B. et al., Nuclear Fusion 54 (2014) 022005.

 

Im Januar 2013 hat Benedikt Geiger mit dieser Arbeit an der LMU München mit Auszeichnung promoviert. Für seine exzellente wissenschaftliche Leistung würdigte die Max-Planck-Gesellschaft im Mai 2014 Benedikt Geiger mit der Otto-Hahn-Medaille:

http://www.ipp.mpg.de/3584564/otto_hahn_medaille

Der Snowflake-Divertor

Leistungsflüsse Bild vergrößern
Leistungsflüsse

Das derzeit vielversprechendste Design für einen Fusionsreaktor ist der Divertor-Tokamak in „Single-Null-Konfiguration“. Die im zentralen Plasma entstandene Wärme wird hierbei in den Divertorbeinen auf die Prallplatten geleitet. Ein großes Problem ist die starke Lokalisierung dieser Flüsse, die die Materialien bis an die Grenze ihrer Belastbarkeit treiben. Der „Snowflake-Divertor“ ist eine Konfiguration mit zwei zusätzlichen Divertorbeinen, die als Konzept diskutiert wird, den Wärmefluss gleichmäßiger zu verteilen. Aufgrund seiner komplexeren Topologie war es allerdings bisher nur marginal möglich, eine solche Konfiguration numerisch zu beschreiben.

In Zusammenarbeit mit dem schweizer Experiment TCV, das diese Konfiguration experimentell untersucht, sind nun mit dem am IPP entwickelten Code EMC3-Eirene erstmals Berechnungen des Snowflake-Divertors gelungen. Dabei hat sich herausgestellt, dass der Wärmefluss in die sekundären Divertorbeine tatsächlich deutlich größer ist, als bisherige Modelle vorhersagen. In absoluten Werten handelt es sich in TCV allerdings nur um einen verhältnismäßig kleinen Effekt von ~ 10 %. Ob dieser Effekt in einem deutlich größeren Reaktor zunimmt und ob eine solche Konfiguration tatsächlich reaktortauglich ist, ist Gegenstand weiterer Untersuchungen. Diese Arbeit wurde jetzt bei der Zeitschrift `Plasma Physics and Controlled Fusion' als "IOPselect“-Artikel publiziert:

T. Lunt et al. 2014 Plasma Phys. Control. Fusion 56 035009

Lineare Stabilitätsanalyse von ELMs in ASDEX Upgrade – A. Burckhart

ELM steht für ‚edge localized mode‘ und ist eine magnetohydrodynamische Instabilität, die am Rand von magnetisch eingeschlossenen Fusionsplasmen periodisch auftritt. ELMs transportieren Teilchen und Wärme aus der Region des eingeschlossenen Plasmas in die Abschälschicht. Dieser Vorgang bewirkt nicht nur, dass die eingeschlossene Energie limitiert wird, sondern erzeugt auch hohe Teilchen- und Wärmeflüsse auf die erste Wand des Tokamaks, die möglicherweise in größeren Maschinen nicht toleriert werden können. Die genaue Beschaffenheit der Instabilitäten, die für ELMs verantwortlich sind, ist jedoch noch nicht bekannt. Die Theorie, die am häufigsten zur Erklärung von ELMs herangezogen wird, ist das Peeling-Ballooning-Modell, wonach ein kritischer Randdruckgradient in Kombination mit einer Randstromdichte gekoppelte Moden schnell wachsen lässt.

In seiner Doktorarbeit mit dem Titel ‚Unterschiedliche ELM Regime in ASDEX Upgrade und deren lineare Stabilitätsanalyse‘ untersuchte Andreas Burckhart, ob das Peeling-Ballooning-Modell das Auftreten der ELMs erklären kann. Ein Beispiel wird in der Grafik dargestellt.

Stabilitätsanalyse einer Entladung, in der ECRH (Elektronen-Zyklotron-Resonanzheizung) an unterschiedlichen radialen Positionen das Plasma heizt: Obwohl die Stabilitätsgrenze weiter vom Operationspunkt entfernt liegt, ist die ELM-Frequenz erhöht. Bild vergrößern
Stabilitätsanalyse einer Entladung, in der ECRH (Elektronen-Zyklotron-Resonanzheizung) an unterschiedlichen radialen Positionen das Plasma heizt: Obwohl die Stabilitätsgrenze weiter vom Operationspunkt entfernt liegt, ist die ELM-Frequenz erhöht. [weniger]

ELMs können durch lokales Heizen am Plasmarand beeinflusst werden. An TCV wurde gezeigt, dass die ELM-Frequenz ansteigt und der Verlust pro ELM reduziert wird, wenn die Leistungsdeposition weiter zum Rand hin verschoben wird [Rossel et al, Nucl. Fusion 2012]. An ASDEX Upgrade jedoch wird ein anderes Verhalten beobachtet. Die ELM-Frequenz steigt nicht an, sondern ein zweites Frequenzband bei höherer Frequenz entsteht, das immer dominanter besetzt wird, je weiter die Heizleistung am Rand deponiert wird. Die Peeling-Ballooning-Stabilitätsanalyse zeigt, dass das zentral geheizte Plasma marginal instabil ist, während es immer stabiler wird, je weiter die Heizung zum Rand hin verschoben wird. Dieses Verhalten ist hauptsächlich der Reduktion des Druckgradienten zuzuschreiben, da sich die Stabilitätsgrenze nicht ändert. Eine hypothetische Erklärung könnte lauten, dass ECRH an der Stelle der Deposition Turbulenz antreibt, dadurch den Transport erhöht und so am Rand die Gradienten limitiert, wodurch das Peeling-Ballooning-Stabilitätslimit nicht erreicht werden kann. Da die Reduktion der Randgradienten nicht zu einer Reduktion der ELM-Frequenz führt, sondern im Gegenteil deren Frequenz erhöht, ist dies ein Anhaltspunkt dafür, dass ein wesentlicher physikalischer Faktor im Modell fehlt.

<span class="textklein">Dr. Eleonora Viezzer und Dr. Armin Manhard, die beiden neuen &ldquo;Fusion Research Fellows&rdquo; im Bereich E2M.</span> Bild vergrößern
Dr. Eleonora Viezzer und Dr. Armin Manhard, die beiden neuen “Fusion Research Fellows” im Bereich E2M.

Zwei PostDoc-Kandidaten erhalten Förderung durch “Fusion Research Fellowship”

Zwei Nachwuchswissenschaftler aus dem Bereich E2M haben sich erfolgreich um eine “Fusion Research Fellowship“ beworben. Dr. Eleonora Viezzer und Dr. Armin Manhard sind unter den 17 Kandidaten aus ganz Europa, denen dieses Stipendium im Dezember 2013 zugesprochen wurde.

Dr. Eleonora Viezzer begann am IPP Ende 2008 mit ihrer Diplomarbeit und arbeitete anschließend ab 2010 an ihrer Doktorarbeit. Im Februar 2013 promovierte sie an der Ludwig-Maximilians-Universität. Das Thema ihrer Dissertation: “Radial Electric Field Studies in the Plasma Edge of ASDEX Upgrade”.

Dr. Armin Manhard fertigte ebenfalls schon seine Diplomarbeit am IPP an. 2008 startete er mit seiner Doktorarbeit: “Deuterium Inventory in Tungsten after Plasma Exposure: A Microstructural Survey”. Er promovierte an der Universität Augsburg im Mai 2012.

Wir gratulieren Dr. Viezzer and Dr. Manhard und wünschen ihnen viel Erfolg bei der Realisierung ihrer Projekte. Eine Zusammenfassung der von ihnen eingereichten Projektvorschläge:


Eleonora Viezzer
Impact of poloidal impurity asymmetries on edge current and pedestal stability
(Einfluss poloidaler Verunreinigungsasymmetrien auf den Randstrom und die Pedestalstabilität)

Die Verbesserung und Aufrechterhaltung des Plasmaenergie-Einschlusses ist ein wichtiger Aspekt für den Betrieb von zukünftigen Fusionskraftwerken. Wichtige Faktoren sind hierbei ein stationärer Einschluss und die ökonomische Wirtschaftlichkeit. Das derzeitige Konzept hierfür ist die sogenannte H-mode, ein Plasmaregime mit hohem Energieeinschluss, das durch eine Randtransportbarriere gekennzeichnet ist. Die Stabilität der Transportbarriere wird von einem komplexen Wechselspiel zwischen Randstrom j und Druckgradienten ∇p getrieben. Um gegenwärtige Theorien, die die Stabilität der Transportbarriere voraussagen, zu testen benötigt man das j- und das ∇p-Profil mit einer sehr hohen zeitlichen (ms) und räumlichen (mm) Auflösung.

Das Ziel des Forschungsprojekts ist die hochpräzise Messung von j und ∇p um die Dynamik zwischen Randstrom und Druckgradienten besser verstehen zu können. Der Effekt von Verunreinigungen auf den Randstrom und die Stabilität der Transportbarriere wird anhand von experimentellen Messungen und dem Vergleich mit numerischen Simulationen quantitativ untersucht werden.

 

Armin Manhard
Influence of Different Defect Types on Hydrogen Isotope Transport and Retention in Tungsten
(Einfluss unterschiedlicher Defekttypen auf den Wasserstoffisotopen-Transport durch und seine Rückhaltung in Wolfram)

Wasserstoff ist in einem perfekten Wolframkristall nahezu unlöslich, aber Wasserstoffatome, die dennoch hineingelangen, können schnell durch das Material diffundieren. Defekte wie zum Beispiel Versetzungen, Korngrenzen und auch Fehlstellen können das Verhalten von Wasserstoff in Wolfram deutlich verändern. Sie können Wasserstoffatome binden, wodurch sie dessen Rückhaltung erhöhen und zugleich die effektive Diffusion verlangsamen. Es gibt aber auch Hinweise, dass zum Beispiel Korngrenzen als Schnellstraßen für die Wasserstoffdiffusion wirken könnten. In diesem Projekt wird die Erzeugung von Defekten in Wolframproben, die einem Wasserstoffplasma ausgesetzt wurden, sowohl mittels Elektronenmikroskopie als auch Ionenstrahlanalyse untersucht. Zusätzlich wird die Diffusion von Wasserstoff in Wolfram mit Hilfe einer elektrochemischen Doppelzelle gemessen. Diese neu aufgebaute Anlage erlaubt hochempfindliche Messungen nahe Raumtemperatur, wo bisher noch kaum Daten verfügbar sind.

 
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