Drastische Erhöhung der Strahlungsleistung durch neutralen Wasserstoff

Großer Einfluss von neutralem Wasserstoff auf die mittlere Ladung und Strahlung von Neon und Argon an ASDEX Upgrade gefunden

In einem Fusionskraftwerk muss ein großer Teil der erzeugten Leistung durch Strahlung am Rand des eingeschlossenen Plasmas abgeführt werden um eine Überlastung des Divertors zu vermeiden. Neutraler Wasserstoff kann dabei auch in geringen Konzentrationen die Strahlungsleistung von Verunreinigungen drastisch erhöhen.

Dichteprofile von Ne10+ und Ne8+ wurden in einem ASDEX-Upgrade-Plasma gemessen und modelliert. Die gemessene Dichte von Ne8+ ist wesentlich höher als berechnet, wenn der Ladungsaustausch (CX) mit neutralem Wasserstoff nicht berücksichtigt wird. Dieser Einfluss auf die Ionisationsbalance bewirkt, dass die Strahlungsleistung pro Volumen stark zunimmt. — Dichteprofile von Ne¹⁰⁺ und Ne⁸⁺ wurden in einem ASDEX-Upgrade-Plasma gemessen und modelliert. Die gemessene Dichte von Ne⁸⁺ ist wesentlich höher als berechnet, wenn der Ladungsaustausch (CX) mit neutralem Wasserstoff nicht berücksichtigt wird. Dieser Einfluss auf die Ionisationsbalance bewirkt, dass die Strahlungsleistung pro Volumen stark zunimmt.

Abbildung: IPP

Dichteprofile von Ne¹⁰⁺ und Ne⁸⁺ wurden in einem ASDEX-Upgrade-Plasma gemessen und modelliert. Die gemessene Dichte von Ne⁸⁺ ist wesentlich höher als berechnet, wenn der Ladungsaustausch (CX) mit neutralem Wasserstoff nicht berücksichtigt wird. Dieser Einfluss auf die Ionisationsbalance bewirkt, dass die Strahlungsleistung pro Volumen stark zunimmt.

Abbildung: IPP

Dies geschieht über den Ladungsaustausch (CX) zwischen dem neutralen Wasserstoff und den hochgeladenen Ionen der Verunreinigung, bei dem das Elektron des Wasserstoffs auf das Ion übertragen wird. Beim Neon führt dies zum Beispiel zu einer starken Erhöhung der Ionen mit zwei gebundenen Elektronen (heliumartiges Ne⁸⁺), die zusammen mit den benachbarten Ionenstufen viel mehr Leistung in den Resonanzlinien abstrahlen können als das vollständig ionisierte Ne¹⁰⁺, das nur mittels Bremsstrahlung beitragen kann. An ASDEX Upgrade konnte dies durch Messung der Dichteprofile von Ne¹⁰⁺ und Ne⁸⁺ und der Strahlungsprofile gezeigt werden. Ohne CX liegen die berechneten Dichteprofile von Ne⁸⁺ um bis zu einem Faktor 28 unter der Messung und die berechnete Strahlung ist bis zu einem Faktor 12 zu gering. Bei Argon konnte der Mechanismus über die gemessene Linienstrahlung von vielen Ionenstufen nachgewiesen werden. Der Strahlungseffekt ist aber etwa einen Faktor 2.5 geringer als beim Neon. Erste Abschätzungen für die im Reaktor zur Strahlungsregelung vorgesehenen Elemente zeigen, dass das Verhältnis von Randstrahlung zu Zentralstrahlung bzw. zentraler Verdünnung für die leichten Elemente bis zum Krypton durch CX verbessert wird, während der Effekt bei Xenon und Wolfram schwach ist.

Die Untersuchungen wurden kürzlich in Nuclear Fusion veröffentlicht.