Entwicklung einer auf Laser-induzierter Fluoreszenz basierenden Diagnostik zur Untersuchung von Edge Localized Modes im Divertor-Plasma von ASDEX Upgrade

Abstract

Ein auf thermonuklearer Fusion basierender Fusionsreaktor mit magnetischem Einschluss ist eine mögliche Lösung des Energieproblems, welches die Menschheit in den nächsten Jahrzehnten lösen muss. Unglücklicherweise sind hinsichtlich eines Fusionsreaktors jedoch noch viele technische und physikalische Probleme ungelöst. Eines der größten physikalischen Probleme, das auf dem Weg hin zu einem Fusionskraftwerk gelöst werden muss, ist das Verständnis der Edge Localized Modes (ELMs). Ein immenses technologisches Problem ist die Planung der Divertortargetplatten, welche während ELMs enormen Leistungsflüssen ausgesetzt sind. Eine vorteilhafte Eigenschaft der ELMs ist ihre Fähigkeit, Verunreinigungen und Heliumasche aus Fusionsplasmen entfernen zu können. Obwohl ELMs seit über zwei Jahrzehnten mit großem Aufwand untersucht werden, ist es bislang nicht gelungen, diese magnetohydrodynamischen Instabilitäten vollständig zu verstehen. Bezüglich ELMs sind vor allem jene Vorgänge, welche im Divertor während des ELM-Crashs stattfinden, sowohl für das physikalische Verständnis als auch für die technische Konzeption von Interesse. Die an den führenden Fusionsexperimenten vorhandenen Diagnostiksysteme erlauben keine detaillierte Untersuchung dieser Vorgänge, weshalb im Rahmen dieser Arbeit eine neue Diagnostik basierend auf der Laser-induzierten Fluoreszenz (LIF) entwickelt wurde, welches die Untersuchung von Edge Localized Modes mit höherer räumlicher und zeitlicher Auflösung als mit jedem anderen vorhandenen Diagnostiksystem erlaubt. Mit Laser-induzierter Fluoreszenz können im allgemeinen sowohl Geschwindigkeitsverteilungen als auch Dichten von Neutralteilchen, Molekülen und Ionen spektroskopisch bestimmt werden. Um die Laser-induzierte Fluoreszenz im Divertor-Plasma von ASDEX Upgrade als Messverfahren anwenden zu können, wurde LIF für die Wellenlänge 656,107nm des neutralen Deuteriums und für die Wellenlänge 667,815nm des neutralen Heliums entwickelt, um das Verhalten der Elemente Deuterium und Helium im Divertor-Plasma von ASDEX Upgrade während ELM-Aktivität untersuchen zu können. Das Ziel dieser Untersuchungen ist die Unterstützung des physikalischen Verständnisses und der Modellierung des Divertor-Plasmas. Bei der Realisierung des Diagnostiksystems wurden aufgrund der schlechten Zugänglichkeit des Divertors in ASDEX Upgrade sowohl zur Übertragung der anregenden Laserpulse als auch zur Detektion der Fluoreszenzphotonen Lichtwellenleiter verwendet. Um Pulsleistungen von mehr als 5mJ in den Divertor transmittieren zu können, wurde die Einkopplung des Lasers in den Lichtwellenleiter deutlich verbessert. Eine notwendige Bedingung zur Anregung des gewünschten Überganges ist eine möglichst exakte Wellenlängenkalibrierung. Diese wurde für den verwendeten Farbstofflasers mit optogalvanischer Spektroskopie durchgeführt. Aufgrund der Tatsache, dass die Termschemata der untersuchten leichten Elemente sehr einfach sind, und der Limitierung der Transmission der Lichtwellenleiter auf einen bestimmten Wellenlängenbereich, mussten für beide Elemente die Fluoreszenzsignale auf der selben Wellenlänge beobachtet werden, auf der die Anregung stattfand, was zu einem Streulichtproblem führte. Für beide Spezies konnten erste Fluoreszenzsignale gemessen werden, aus denen die Lebensdauer der angeregten Zustände bestimmt werden konnten. Diese Werte zeigten gute Übereinstimmungen mit den erwarteten Werten. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Fluoreszenzsignale nur dann auftreten, wenn ein Laserpuls zeitlich mit einem ELM-Crash zusammenfällt. Diese Erkenntnisse zeigen, dass es gelungen ist, einen ersten Schritt hin zu einem neuen Diagnostiksystem für ITER und DEMO zu machen, das in der Lage sein wird, wertvolle Daten für die Lösung von zwei der wichtigsten Probleme, welche die Fusionsforschung lösen muss, zu liefern: das Erste-Wand-Problem und das Problem der Heliumascheabfuhr.

A thermonuclear fusion reactor with magnetic confinement is one possible solution for the energy dilemma mankind will face during the next decades. Unfortunately many physical and technological problems concerning a fusion reactor are still unsolved. One of the major physical problems affiliated with a future fusion power plant is the understanding of Edge Localized Modes (ELMs). A major technological problem is the design of the divertor target plates which have to sustain high power fluxes during ELMs. A favorable feature of ELMs is their ability to remove impurities and helium ash from fusion plasmas. Although intense research effort was put into the understanding of Edge Localized Modes over the last two decades, these magnetohydrodynamic instabilities still are not fully understood. Especially the processes taking place in the Divertor during an ELM Crash are interesting both for physical understanding and technological conception. Current diagnostics available at the leading fusion experiments do not allow for a detailed investigation of these processes. This is why a new diagnostic method based on laser-induced fluorescence (LIF) was developed which is able to investigate Edge Localized Modes at a higher temporal and spatial resolution than any other available diagnostic system. Laser-induced fluorescence generally offers the possibility to spectroscopically determine the velocity distributions and the densities of neutrals, molecules and ions. In order to apply laser-induced fluorescence in the divertor plasma of ASDEX Upgrade LIF was developed at the wavelength of 656.107nm of neutral deuterium as well as at the wavelength of 667.815nm of neutral helium in order to investigate the deuterium and helium behavior, respectively, in the divertor of ASDEX Upgrade during ELM activity. The general aim of these studies is to support the physics understanding and the modelling of divertor plasmas. The laser-induced fluorescence system relies on the application of a system of quartz fibers in order to transmit the high energy laser pulses to the divertor plasma and of another system for the collection of the fluorescence photons. This is necessary, because the divertor region in ASDEX Upgrade is limited in accessibility. To be able to transmit laser pulses with a pulse energy of more than 5 mJ into the divertor the laser fiber coupling was significantly improved. An important condition for exciting the desired transition is the very precise wavelength calibration. For this purpose the dye-laser was calibrated using optogalvanical spectroscopy. As the studied light elements' term schemes are very simple and the fiber transmission is limited to a certain wavelength interval, the fluorescence signals have to be observed at the same wavelength as the excitation causing a stray light problem. First fluorescence signals were obtained for both species from which the lifetimes of the upper states were determined. These measurements showed good agreement with the values predicted from theory. Furthermore, the occurance of these signals could be correlated to the presence of an ELM crash. These findings show that a first succesful step towards a new diagnostic system for ITER and DEMO was made which will be able to deliver precious data helping to solve two of the most important problems concerning the peaceful use of thermonuclear fusion for energy production: the first wall problem and the helium ash removal problem.