Transport und Chemie von Kohlenwasserstoffen in Tokamaks

Strom aus Kernfusionskraftwerken wird als vielversprechende Option für eine mögliche zukünftige Energieversorgung angesehen. Die Realisierung eines brennenden Fusionsplasmas stellt dabei eine der größten Herausforderungen des beginnenden 21 Jahrhunderts dar, dessen physikalische und technologische Machbarkeit mit dem geplanten internationalen Tokamak-Experiment ITER gezeigt werden soll. Dabei wird ein Plasma aus Deuterium und Tritium auf mehr als 100 Millionen Grad geheizt und bei genügend hohen Dichten und hinreichend langer Einschlußzeit magnetisch eingeschlossen. Unter Reaktorbedingungen werden Materialien im Divertorbereich des Tokamaks besonders belastet und müssen einem Fluss von 1025 Teilchen/s bei einer Temperatur von 104 - 105 K standhalten. Die Suche nach geeigneten Materialien, welche diesen Bedingungen optimal widerstehen, stellt nach wie vor eine große Herausforderung im Rahmen der Fusionsforschung dar. Speziell in ITER können diese Belastungen unter bestimmten Bedingungen ("ELMs") stark ansteigen. Derzeit wird als Material für Divertor- Platten in ITER Kohlenstoff favorisiert. Da jedoch darauf tritierte Kohlenwasserstoffe durch chemische Erosionsprozesse produziert werden, ergibt sich das Problem der Anlagerung von Tritium im Wandmaterial des Reaktors. Zur Untersuchung derartiger Effekte wurde der Monte Carlo Code EIRENE mit dem so genannten "Trace Ion Module" erweitert, um neben der Chemie der Kohlenwasserstoffe auch den Transport der resultierenden molekularen Ionen beschreiben zu können. Im vorliegenden Projekt wird dieser EIRENE Code weiter erweitert, um auch Effekte durch anomalen Transport und Effekte aufgrund endlicher Larmorradien der beteiligten Ionen studieren zu können. Solche Larmorradius-Effekte sind gerade bei hochenergetischen Ionen, welche z.B. bei Neutralgaseinschuss entstehen, von Bedeutung. Das weiterentwickelte numerische Verfahren wird dann zur Simulation des Zerfalls von Methan während des Gas-Einblasens in den bestehenden Tokamaks MAST und TEXTOR eingesetzt. Schließlich werden Simulationsrechnungen für ITER durchgeführt, um den Transport der Kohlenwasserstoffe im ITER-Divertor zu untersuchen. Das vorliegende Projekt soll dazu beitragen, die molekularen Prozesse, welche Kohlenwasserstoffe im Divertor durchlaufen, und den dazugehörigen Transport im Tokamak besser zu verstehen.

In diesem Projekt wurden wesentliche numerische Entwicklungen von Computermodellen durchgeführt, um den Transport von Spurenionen zusammen mit Neutralteilchen am Rand von Plasmen in Fusionsexperimenten zu simulieren. Das hierzu für den etablierten Neutralteilchen-Simulationscode EIRENE an der Universität Innsbruck entwickelte "Trace Ion Module" (TIM) wurde zur Modellierung aktueller Szenarien in Fusionsexperimenten vom Typ Tokamak (JET, ASDEX Upgrade, MAST) angewendet. Damit ist es möglich, die Kinetik von Verunreinigungsteilchen in Fusionsplasmen besser zu verstehen und für zukünftige Experimente wie ITER genauer vorherzusagen. Verunreinigungen rühren im Wesentlichen vom Kontakt des heißen Wasserstoff-Plasmas mit Wandmaterialien wie Graphit oder Wolfram her. Die Bewegung der aus der Plasma-Wand-Wechselwirkung stammenden Kohlenwasserstoff-Molekülionen und teils hoch geladenen Wolfram- Ionen durch das komplexe Magnetfeld von Tokamaks kann mit TIM nun in hoher Genauigkeit über Monte-Carlo Verfahren statistisch simuliert werden. Vergleiche der Simulationsergebnisse mit räumlich hoch aufgelösten Messungen am Tokamak MAST ergaben eine gute Übereinstimmung des Transports von Kohlenwasserstoff-Spurenionen. Um die reichhaltige Chemie der Kohlenwasserstoffe in Fusionsplasmen genauer zu berücksichtigen wurden aktuelle an der Universität Innsbruck gemessene Streuquerschnitte analysiert und für die Verwendung in der Simulationsdatenbank HYDKIN aufbereitet. Der neu entwickelte TIM Code wurde weiters bisher von einer Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching zur Simulation des Transports von Wolfram im Experiment ASDEX Upgrade angewendet, und steht nun allgemein als numerisches Werkzeug zur Evaluierung der Eignung verschiedener Wandmaterialien für zukünftige Fusionsexperimente wie ITER im Rahmen des EIRENE Modells zur Verfügung.