Transport, Verunreinigungen und Strahlung

Verunreinigungen im Fusionsplasma können zu einer empfindlichen Verdünnung des Fusionsbrennstoffes führen und stellen außerdem durch ihre Linien- und Kontinuumsstrahlung einen Verlustkanal für die im Plasma enthaltene Energie dar. Gezielt eingesetzt können sie aber auch Informationen über ihre Transporteigenschaften im Plasma preisgeben und hilfreich für die Reduktion von Wechselwirkungen zwischen Plasma und Gefäß sein. Die Untersuchung und Entwicklung von Plasmaszenarien, in denen die Verunreinigungen kontrolliert werden können, ist daher ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem über lange Zeit eingeschlossenen heißen Fusionsplasma.

Die Suche nach einem solchen Szenario beginnt mit dem Verständnis der im Plasma vorherrschenden Transportprozesse für die Verunreinigungen – also aller Bestandteile des Plasmas, die schwerer sind als der verwendete Brennstoff – und ihrer daraus resultierenden Konzentration und Verteilung. Für diese Untersuchungen werden kleinste Konzentrationen von Verunreinigungen als Teilchenwolke mittels eines Laserablations-Systems oder als kleine Festkörperpartikel in das Plasma eingebracht. Während des Transports dieser Verunreinigungen im Plasma wird charakteristische Linien- und Kontinuumsstrahlung ausgesandt, die zeitaufgelöst und teilweise auch mit begrenzter räumlicher Auflösung von Spektrometern in verschiedenen Wellenlängenbereichen detektiert wird. Ergänzend kann mit tomografischen Systemen die über weite Energiebereiche integrierte Gesamtstrahlung des Plasmas inklusive aller Verunreinigungen in ihrer raumzeitlichen Dynamik rekonstruiert werden.

Die auf diese Weise gewonnenen Informationen über das Verunreinigungsverhalten im Experiment wird im nächsten Schritt mit theoretischen Modellen und Simulationen verglichen. Hierfür kommen in enger Zusammenarbeit mit dem Bereich Stellaratortheorie einfache eindimensionale und komplexe dreidimensionale Codes zur Anwendung. Die Verbindung der experimentellen Daten mit den Ergebnissen der Simulationen erlaubt Rückschlüsse auf die Transportprozesse, denen die Verunreinigungen unterliegen. Diese Transportprozesse sind maßgeblich durch die Profile – genauer: deren Gradienten – der Plasmadichte und -temperatur bestimmt, die direkt oder über die Ausbildung von Turbulenz wesentlich das zeitliche und räumliche Verhalten der Verunreinigungen beeinflussen.

Durch die Untersuchung einer Vielzahl verschiedener Plasma-Konfigurationen lässt sich schließlich ein Szenario ableiten, das die Verunreinigungen bestmöglich aus dem eingeschlossenen Bereich des Plasmas heraushält oder in einer Weise verteilt, die einen effizienten und dauerhaften Plasmabetrieb begünstigt.