Calculation of cross sections relevant for diagnostics of hot fusion plasmas
Description
With the construction of the ITER device in Cadarache (France) thermonuclear fusion research is making another significant step toward the actual exploitation of fusion as a sustainable energy source. ITER is a so-called 'tokamak'-reactor, where the hot deuterium-tritium plasma is confined by strong magnetic fields while being heated by energetic neutral hydrogen beams or intense electromagnetic waves to the temperatures necessary to initiate fusion processes (typically more than 100 million oC). Despite this magnetic confinement particles can still exit the plasma, e.g. through open field lines or anomalous transport, and hit the wall of the plasma vessel. Although H-mode plasmas, the best operation scheme known today, are characterized by a steep temperature gradient at the plasma edge and the temperature of the particles in the scrape-off layer (the outermost layer of a fusion plasma in a tokamak) is much lower than in the plasma center, they are nevertheless at temperatures where it is still problematic for them to be brought into direct contact with a physical wall. It would degrade the wall and the debris from the wall would extinguish the plasma immediately. Magnetic confinement, however, is never perfect. Transport across the field lines eventually will lead to interaction between the plasma and the first wall. The intensity of this plasma-wall-interaction is largely governed by the impact energy (i.e. the local temperature) of the plasma (particles) at the material wall. Therefore, schemes are developed to cool down the plasma locally before it impacts on a physical surface. Among these schemes radiative edge cooling is very promising. A cold, highly radiative edge plasma distributes most of its power uniformly over the first wall. Structural damage due to high local heat deposition could thus be avoided, and the impurity concentration in the plasma caused by erosion of the wall material could be significantly reduced. Controlled injection of impurity gases is a promising technique for enhancement of radiation loss power in thermonuclear fusion experiments. For ITER the use of Argon as radiating impurity has been proposed. To understand the transport of Ar impurities in the plasma edge simulation calculations which model and experimental techniques that diagnose this transport are necessary. Both plasma-modeling and -diagnostics heavily rely on atomic collision cross sections involving Arq+ ions in various charge states and plasma particles like electrons, protons and neutral hydrogen atoms. It is the primary aim of this thesis to provide these cross sections, in particular those, which will be necessary to derive information on the density profiles of Arq+ ions via charge exchange recombination spectroscopy. These cross sections will be obtained by performing state of the art atomic orbital close coupling calculations. Due to the large number of atomic states involved these calculations are challenging and require novel approaches especially in the computational implementation of the problem. Although Argon stands out because of both its complexity and its future use in ITER, several other collision systems of relevance were calculated and studied, namely Be4+, C6+, N6+, N7+ and Neq+ impact on ground and excited state neutral hydrogen. The PhD thesis was performed in close collaboration with leading European fusion laboratories, e.g. the Max-Planck-Institute of Plasma Physics in Garching, Germany, and served as input for the data base on atomic collisions for fusion by the Atomic Data and Analysis (ADAS) group as well as the data base of the integrated tokamak modeling (ITM) task force of the European Fusion Development Agency (EFDA). (author)
Availability note (English)
Available from Vienna University of Technology Library, Resselgasse 4, 1040 Vienna (AT); available from http://media.obvsg.at/p-AC07811512-2001Abstract (German)
Mit dem Bau von ITER in Cadarache haben die Forschungsbemuehungen an der thermonuklearen Fusion einen weiteren, signifikanten Schritt in Richtung einer nachhaltigen, sauberen Energiequelle gemacht. In Experimenten gleicher Bauart, sogenannten 'Tokamaks' wird ein heisses Deuterium-Tritium Plasma in starken Magnetfeldern eingeschlossen. Waehrenddessen wird dieses Plasma mit energetischen Wasserstoffstrahlen oder intensiven elektromagnetischen Wellen auf die notwendigen Temperaturen (typischerweise liegen um die 100 Millionen oC) aufgeheizt und so der Fusionsprozess gestartet. Trotz des magnetischen Plasmaeinschlusses koennen Teilchen immer noch das Plasma, z.B. durch offene Feldlinien oder anormalen Transport, verlassen. Obwohl ein H-mode Plasma, das nach heutigem Stand der Forschung das beste Operationsmodell darstellt, einen steilen Temperaturgradienten am Plasmarand hat und dadurch die Temperatur der Teilchen in der Separatrix, dem aeussersten Teil eines Tokamakplasmas, deutlich geringer ist, ist es immer noch problematisch, wenn sie in direkten Kontakt mit physischen Waenden kommen. Dies wuerde die Wand zerstoeren und die Truemmer wuerden das Plasma sofort ausloeschen. Trotzdem das Plasma, als quasi-neutrales Medium, durch Magnetfelder eingeschlossen werden kann und dadurch der Kontakt mit der Wand des Experiments (fast) vollstaendig vermieden werden kann, fuehrt dennoch Transport durch die Feldlinien dazu, dass das Plasma irgendwann mit der Wand in Wechselwirkung tritt. Die Intensitaet dieser Plasma-Wand-Wechselwirkungen wird vor allem durch die Stossgeschwindigkeit - also die lokale Temperatur - der Plasmateilchen mit dem Wandmaterial bestimmt. Deshalb wurden Methoden entwickelt, die Plasmarandschicht lokal zu kuehlen, bevor sie auf die erste Wand trifft. Als Methode ist hier vor allem radiative plasma edge cooling hervorzuheben. Eine kalte, stark strahlende Plasmarandschicht verteilt den groessten Teil ihrer Energie gleichmaessig ueber die erste Wand. Strukturelle Schaeden koennen dadurch vermieden werden und die Konzentration von Verunreinigungen, die durch Erosion des Wandmaterials ins Plasma gelangen, koennen signifikant reduziert werden. Die kontrollierte Injektion von Verunreinigungsgasen ist eine viel versprechende Methode die Strahlungsverluste in der Plasmarandschicht zu verstaerken. Im Speziellen fuer ITER wird Argon fuer Strahlungskuehlung der Plasmarandschicht verwendet werden. Um den Transport von Argonatomen in der Plasmarandschicht untersuchen zu koennen, sind sowohl experimentelle Messungen und deren Auswertung als auch Simulationen notwendig. Fuer beides ist die Qualitaet der zugrunde liegenden atomare Daten essentiell. Das Hauptaugenmerk dieser Doktorarbeit liegt auf der Berechnung von Wirkungsquerschnitten, im Besondern solcher, die fuer die Bestimmung von Dichteprofilen in Fusionsplasmen durch die Ladungsaustauschspektroskopie mit schweren, hochgeladenen Ionen notwendig sind. Diese Rechnungen wurden mit einem atomic-orbital close-coupling Programm durchgefuehrt. Dieser Ansatz wird besonders durch die grosse Anzahl von notwendigen Basiszustaenden komplex und erfordert voellig neue programmiertechnische Ansaetze. Obwohl Argon durch diese hohe Komplexitaet und durch die Verwendung bei ITER heraussticht, gibt es dennoch einige andere Stosssysteme, die fuer die Kernfusionsforschung von Interesse sind. In der vorliegenden Arbeit wurden zusaetzlich zu Arq+ noch Be4+, C6+, N6+, N7+ und Neq+ + H(n=1,2) gerechnet und analysiert. Dieses Doktorarbeitsprojekt wurde in enger Zusammenarbeit mit Europas fuehrenden Fusionslabors durchgefuehrt, im Besonderen dem Max-Planck-Institut fuer Plasmaphysik in Garching. Die berechneten Wirkungsquerschnitte wurden in die Datenbanken der Atomic Data and Analysis Structure (ADAS) Gruppe und der Integrated Tokamak Modeling (ITM) Taskforce der European Fusion Development Agency (EFDA) eingespeist. (author)Additional details
Identifiers
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 164 p.
INIS
- Country of Publication
- Austria
- Country of Input or Organization
- Austria
- INIS RN
- 44032618
- Subject category
- S70: PLASMA PHYSICS AND FUSION TECHNOLOGY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- ARGON; ATOM COLLISIONS; BERYLLIUM IONS; CARBON IONS; CROSS SECTIONS; DEUTERIUM; FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY; FIRST WALL; H-MODE PLASMA CONFINEMENT; HYDROGEN; ITER TOKAMAK; NITROGEN IONS; PLASMA; PLASMA IMPURITIES; PLASMA SCRAPE-OFF LAYER; PROTONS; TRITIUM
- Descriptors DEC
- BARYONS; BETA DECAY RADIOISOTOPES; BETA-MINUS DECAY RADIOISOTOPES; BOUNDARY LAYERS; CHARGED PARTICLES; CLOSED PLASMA DEVICES; COLLISIONS; CONFINEMENT; DEVELOPED COUNTRIES; ELEMENTARY PARTICLES; ELEMENTS; EUROPE; FERMIONS; FLUIDS; GASES; HADRONS; HYDROGEN ISOTOPES; IMPURITIES; IONS; ISOTOPES; LAYERS; LIGHT NUCLEI; MAGNETIC CONFINEMENT; NONMETALS; NUCLEI; NUCLEONS; ODD-EVEN NUCLEI; ODD-ODD NUCLEI; PLASMA CONFINEMENT; RADIOISOTOPES; RARE GASES; STABLE ISOTOPES; THERMONUCLEAR DEVICES; THERMONUCLEAR REACTOR WALLS; THERMONUCLEAR REACTORS; TOKAMAK DEVICES; TOKAMAK TYPE REACTORS; WESTERN EUROPE; YEARS LIVING RADIOISOTOPES