Dokument: Numerical and plasma theoretical quantification of impurity effects on characteristic measurements in the nuclear fusion experiment Wendelstein 7-X
| Titel: | Numerical and plasma theoretical quantification of impurity effects on characteristic measurements in the nuclear fusion experiment Wendelstein 7-X | |||||||
| Weiterer Titel: | Numerische und plasma-theoretische Quantifizierung von Verunreinigungseffekten an charakteristischen Messungen im Nuklearfusion-Experiment Wendelstein 7-X | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=54327 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20201001-105823-5 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | M.Sc. Cosfeld, Joerg [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Yunfeng Liang [Gutachter] Prof. Dr. Egger, Reinhold [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Nuclear fusion is the most promising candidate for solving modern mankind’s lack of a renewable primary energy source. However, available magnetic concepts must be optimized in
the plasma edge region where temperatures of several million degrees Celsius are reached. The core plasma interacts with system boundaries in the plasma edge region, which therefore has a significant role in confining fusion plasma. Transport effects in such a plasma has to be studied in its details. The Wendelstein 7-X (W7-X) is one of the world’s most modern nuclear fusion experiments. Its complex magnetic design allows a confined plasma without the need of an induced plasma current. Clean hydrogen plasmas are not considered as clean hydrogen plasmas. This is because impure particles are unintentionally introduced into the plasma through interactions with plasma-facing wall components.This study was dedicated to acquiring further information about impurity effects within the complex plasma edge region of the W7-X. EMC3-EIRENE simulations were applied for this task. Furthermore, a numerical plasma edge tool that solves self-consistent three-dimensional fluid equations in a given magnetic configuration was used. Any numerical description of plasma showed a vast number of free system input parameters. These were constrained via the input of characteristic plasma edge measurements in the W7-X. Obtained numerical solutions were then compared with the experimental results of the diagnostics results. Langmuir probes were the main focus of this study because their recorded data are directly linked to a quantification of the impurity content in the considered plasma. Theory shows that measured electron densities n are only accessible via an effective charge state, which is often assumed to be equal to one. Assumptions about the impurity content were replaced with numerically assessed quantifications and used in iterative refinement processes for various Langmuir probe diagnostics. Furthermore, multi-species impurity simulations were considered in respect of impurity release rates into the plasma. Subsequently, assessed release rates were compared to frequently used empirical release rates, enabling a direct insight into the impurity species charge state distribution. In addition, iterative processes were conducted for W7-X plasmas when consistency between the EMC3-EIRENE simulation and several diagnostics (including Langmuir probes) was given.The W7-X underwent updates including one for the heat exhaust concept, from operational phase OP1.1 to OP1.2. Both operational phases were studied regarding the impurity effects in the plasma edge region, and a comparison between the results of the applied iterative process for OP1.1 and OP1.2 were given.Die Fusion zweier Kerne, mit anderenWorten die Kernfusion, ist der vielversprechendste Kandidat um die Lücke der modernen und erneuerbaren Energiequellen zu schließen. Jedoch sind dazu magnetisch optimierte Topologien von Nöten, welche den Rand des Fusionsplasma von der ersten Wand des Experimentes fernhalten. Hier kommt es zu Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius. Die Randschicht des Plasmas und ihre Grenze zu dem Plasmakern spielt daher eine tragende Rolle. Transporteffekte in solch einem Plasma müssen im Detail studiert werden, um die Dynamik des Plasmas bewerten zu können.Wendelstein 7-X (W7-X) ist eines der modernsten Kernfusion Experimente. Kein induzierter Plasma Stromist für den Betrieb von W7-X von Nöten da eine komplexe Verdrillung der magnetischen Spulen das Plasma im Experiment einschließt. Diese Plasmen stehen bei magnetischen Feldfehlern oder Instabilitäten im direkten Kontakt zu der ersten Wand des Experiments. Dort gelangen Verunreinigungen in das Plasma. Ein angestrebtes reinesWasserstoffplasma nimmt Verunreinigungen auf und darf nicht weiter alsWasserstoffplasma theoretisch beschrieben werden. Die vorliegende Arbeit dient der Erforschung detaillierter Einsichten und Informationen über den Einfluss von Verunreinigungen und deren Effekte auf den Rand eines W7-X Fusionplasmas. Dazu werden EMC3-EIRENE Simulationen ausgeführt, welche dann als numerische Diagnostik für den Plasmarand dienen. EMC3-EIRENE löst selbstkonsistent dreidimensionale Fluidgleichungen in einer beliebigen magnetischen Konfiguration. Jegliche dreidimensionale Plasmabeschreibung, auch EMC3-EIRENE, hat eine Vielfalt von verschiedenen freien Systemparametern welche über die Hinzunahme von charakteristischen Plasmarand Diagnostiken eingeschränkt worden sind. Simulationsergebnisse werden dann wiederum zum Vergleich mit den angewendeten Diagnostiken herangezogen. Langmuir Proben und EMC3-EIRENE Simulationen, bilden den Kern dieser Vergleiche, da die Datenverarbeitung der Langmuir Proben direkt mit der Verunreinigungsmenge des Plasmas korreliert. Hier zeigt sich, dass gemessene Elektronendichten nur über eine effektive Ladungszahl, welche ungleich eins ist, reproduziert werden. Diese Ladungszahl ist oft gleich eins angenommen worden. Annahmen über die effektive Ladungszahl des Plasmas und damit Annahmen über dieMenge an Verunreinigungen im Plasma werden durch numerisch erschlossene Quantisierungen der effektiven Ladungszahl ersetzt. Dazu dient ein neu definierter iterativer Prozess zwischen experimentellen und numerischen Befunden.Weiter, sind Simulationen ausgeführt worden, welche nicht nur Kohlenstoff als Verunreinigung zulassen sondern auch Sauerstoff als sekundäre Verunreinigung. Hiervon lassen sich im direkten Vergleich, nur sehr schwer messbare, Befunde ableiten und Vorhersagen für zukünftige Plasmen inWendelstein 7-X treffen. Abschließend werden alle Befunde für die erste und zweite Operationsphase von Wendelstein 7-X gegenüber gestellt, um einen direkten Vergleich zwischen Plasmaparametern zu ermöglichen. Hier zeigen sich deutliche Unterschiede da große Umbauten an W7-X , zwischen den Operationsphasen stattgefunden haben. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 01.10.2020 | |||||||
| Dateien geändert am: | 01.10.2020 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 05.05.2020 | |||||||
| Datum der Promotion: | 09.09.2020 |
