Diagnostiken für die Plasma-Wand-Wechselwirkung in Dauerstrich-Fusions-Plasmen

• Antragsteller: Dr. Sebastijan Brezinsek; Professor Dr. Georg Pretzler
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410415657

Plasma-Wand-Wechselwirkungsprozesse (PWW) in Fusionsanlagen, insbesondere in zukünftigen Reaktoren mit hoher Leistung und stationärem Plasma-Betrieb wie ITER und CFETR, werden die Lebensdauer von Wand-Komponenten bestimmen, die Leistung des Plasmas begrenzen, und den Tritium-Zyklus durch Rückhaltung beeinflussen. Daher ist die Diagnostik und das Verständnis von Materialerosion, -transport und -deposition sowie Brennstoffrückhaltung durch Implantation und Co-Deponierung wichtig, um diese Prozesse für einen sicheren Betrieb eines Reaktors bei hoher Verfügbarkeit steuern zu können. Um auf Grundlage der PWW in existierenden Fusionsanlagen, wie dem Tokamak EAST (Hefei, China) und dem Stellarator W7-X (Greifswald, Deutschland), Vorhersagen für zukünftige Fusionsanlagen machen zu können, sind numerische Simulationen nötig. Messungen an existierenden Experimenten werden verwendet, um die Simulationscodes zu verifizieren und zu verbessern. Auch werden optimierte oder neuartige Diagnostikverfahren für die in-situ PWW-Analyse in Langpuls-Geräten benötigt, um sicherheitsrelevante Größen wie dem Brennstoffinventar messen zu können.Der vorliegende Antrag umfasst die Entwicklung von in-situ Diagnostiken wie Quarz-Mikrowaagen (QMB) und lasergestützte Methoden zur Teilchen-Ablation (LIBS, LIAS) mit Labortests in China und Deutschland (ASIPP/Hefei, DUT/Dalian, FZJ/Jülich und HHU/Düsseldorf). QMBs messen die lokale Erosion und Deposition durch Aufzeichnung der Änderung der massenempfindlichen Resonanzfrequenz des Quarzkristalls, der als Detektor dient. Optimierungen hinsichtlich thermischer Stabilität, Empfindlichkeit und Kalibrierung sind hierbei nötig. Die laserinduzierte Ablations- und „Breakdown“-Spektroskopie (LIAS/LIBS) kann aus langen Entfernungen durchgeführt werden, um Wasserstoffrückhaltung und Verunreinigungs-Zusammensetzungen der ersten Wand während und zwischen den Entladungen zu messen. Optimierungen der Laser-Material-Wechselwirkungszeit, des Laserplasma-Produktionsprozesses und der Kalibrierung sind erforderlich. Die entsprechenden Arbeiten werden von Modellierungen begleitet.Die optimierten Diagnostiken werden dann in bestehende Systeme von EAST implementiert, wie dem Midplane-Manipulator (MAPES) und spektroskopischen Systemen. Mittels der neuen Systeme werden dann spezielle PWW-Experimente durchgeführt. Ein Hauptaugenmerk liegt auf der Charakterisierung von Wolfram (W) Wandkomponenten im oberen Divertor. Dabei kommt die Spektroskopie, kombiniert mit Laser-Diagnostik und QMBs, zum Einsatz, um die wichtigsten PWW-Prozesse für W, D und sog. „Seeding“-Gase zu bestimmen. Numerische Simulationen des Plasmarandes mit dem 2D Plasmafluid Code SOLPS-ITER und der PWW-Prozesse mit dem 3D Monte-Carlo Code ERO werden gemeinsam durchgeführt und unterstützen die Interpretation der Experimente. Schließlich werden die optimierten und qualifizierten Diagnostiken und die Codes an die Bedingungen von W7-X (derzeit Graphitwand) und CFETR (Metallwand) angepasst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Großgeräte: Fast intensified CCD camera (ICCD)
• Gerätegruppe: 5430 Hochgeschwindigkeits-Kameras (ab 100 Bilder/Sek)
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Junling Chen; Professor Hongbin Ding