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Thomas Pütterich

• Nuclear fusion of deuterium and Tritium relies on the accomplishment of plasma temperatures in the range of 20keV. In magnetic confinement fusion, the heat transport and radiation losses are compensated by plasma heating. This scheme relies on the control of the loss mechanisms and in particular the plasma radiation. Tungsten (W) is the main candidate for the first wall of a reactor due to its robustness against physical sputtering by the plasma ions, however, when W reaches concentrations of 1E-4 in the plasma, it causes unduly large plasma cooling by radiation. This implies restrictive impurity control for W, which needs reliable diagnostic by plasma spectroscopy. A pre-requisite for interpretation of the W-spectra is the availability of atomic data for W. The most intense spectral lines of highly ionized W are emitted in the VUV and soft X-ray range. To perform calculations on atomic data the code packages incorporated in the ADAS project are used. The electronic structure of nearlyNuclear fusion of deuterium and Tritium relies on the accomplishment of plasma temperatures in the range of 20keV. In magnetic confinement fusion, the heat transport and radiation losses are compensated by plasma heating. This scheme relies on the control of the loss mechanisms and in particular the plasma radiation. Tungsten (W) is the main candidate for the first wall of a reactor due to its robustness against physical sputtering by the plasma ions, however, when W reaches concentrations of 1E-4 in the plasma, it causes unduly large plasma cooling by radiation. This implies restrictive impurity control for W, which needs reliable diagnostic by plasma spectroscopy. A pre-requisite for interpretation of the W-spectra is the availability of atomic data for W. The most intense spectral lines of highly ionized W are emitted in the VUV and soft X-ray range. To perform calculations on atomic data the code packages incorporated in the ADAS project are used. The electronic structure of nearly all W-ions is calculated by the Cowan-code (Hartree-Fock algorithm). In a second step, the cross sections for electron impact excitation are evaluated via the Cowan-code using the plane wave Born-approximation. A detailed collisional-radiative model is employed to calculate the model-spectra for each ion in equilibrium. Finally, ionization and recombination rates of W are evaluated by semi-empirical formulae, which make use of the electronic structure calculations of the Cowan-code. All atomic data are confronted with experimental measurements from the Garching tokamak ASDEX Upgrade and the Berlin electron-beam ion trap (EBIT). The experimental investigations extend up to 5keV electron temperatures, which is the maximum of the routine operation at ASDEX Upgrade. 'Impurity accumulation', which is characterized by a strong peaking of the impurity density profile, enables unique investigations on the fractional abundance of Ag-like W27+ up to Co-like W47+. According to this findings different sets of ionization and recombination data (originating from independent sources) are evaluated. The recombination rates for few states are corrected empirically satifying boundary conditions which arise from experimental evidence. Focus was put on the two most intense spectral features at 4-6nm (VUV) and at 0.4-0.8nm (soft X-ray). At 5nm the spectral emissions of Ag-like W27+ to Cu-like W45+ are superimposed and the EBIT-data is used to disentangle the emissions of each ionization state. Very rough agreement is found for the emissions below Kr-like W38+ at electron temperatures below 2keV, while the level of agreement improves for the spectral lines emitted by Se-like W40+ to Cu-like W45+ at electron temperatures above 2keV. At these temperatures Kr-like W38+ to about Mn-like W49+ show emissions in the soft X-ray, for which the modelled spectra give good agreement. Both spectral features have been studied also for isoelectronic sequences by injecting the impurities hafnium, tantalum, rhenium, gold, lead and bismuth. Additionally, xenon is targeted by the same code packages, as xenon might be injected in future experiments or a reactor for intentional plasma cooling. The systematical trend for these elements is the same as indicated for W, as the agreement improves for higher charged ionization states and higher electron temperatures. Predictions on radiative plasma cooling (cooling factor CF) have been based up to now on the rough 'Average Ion Model' (AIM) and a further result of the work is the analysis of plasma cooling with the outlined, superior model. All data, which are benchmarked by experimental spectra, are used to calculate the CF of the high-Z elements. The resulting CF does not exhibit large differences to that from the AIM, in particular the new data predicts about factor 2 less radiation in the range 2-5keV while for higher electron temperatures the difference is decreasing to negligible values at about 15keV. This imposes no change on the predictions of the maximum tolerable W concentration in the core plasma of a reactor. Finally, the new atomic data is used to predict spectral lines at higher electron temperatures, which will be important to diagnose the W concentration in the central part of the reactor plasma.…
• Kernfusion von Deuterium und Tritium benötigt Plasmatemperaturen von ca. 20keV. Bei der Fusion in magnetisch eingeschlossenen Plasmen sollen der Wärmetransport und die Strahlungsverluste durch Plasmaheizung ausgeglichen werden. Die Verluste müssen kontrolliert werden. Aus heutiger Sicht ist Wolfram (W) das beste Material für die Oberflächen, die im Kontakt zum Plasma stehen ("Erste Wand"), da hier die Zerstäubung durch Plasmaionen uneffektiv ist. Jedoch darf die Plasmaverunreinigung durch W 1E-4 nicht übersteigen, da sonst die Plasmakühlung durch Strahlung nicht tolerierbar ist. Die W-Konzentration muss also kontrolliert und somit auch diagnostiziert werden. Dies ist durch Plasmaspektroskopie im VUV- und Röntgenbereich möglich, wo die hochionisierten Wolframionen besonders intensive Spektrallinien aufweisen. In der aktuellen Arbeit wurden Atomdaten für diese Emissionen berechnet und anhand entsprechender Messungen qualifiziert. Im Einzelnen, wurden verschiedene Programmpackete aus demKernfusion von Deuterium und Tritium benötigt Plasmatemperaturen von ca. 20keV. Bei der Fusion in magnetisch eingeschlossenen Plasmen sollen der Wärmetransport und die Strahlungsverluste durch Plasmaheizung ausgeglichen werden. Die Verluste müssen kontrolliert werden. Aus heutiger Sicht ist Wolfram (W) das beste Material für die Oberflächen, die im Kontakt zum Plasma stehen ("Erste Wand"), da hier die Zerstäubung durch Plasmaionen uneffektiv ist. Jedoch darf die Plasmaverunreinigung durch W 1E-4 nicht übersteigen, da sonst die Plasmakühlung durch Strahlung nicht tolerierbar ist. Die W-Konzentration muss also kontrolliert und somit auch diagnostiziert werden. Dies ist durch Plasmaspektroskopie im VUV- und Röntgenbereich möglich, wo die hochionisierten Wolframionen besonders intensive Spektrallinien aufweisen. In der aktuellen Arbeit wurden Atomdaten für diese Emissionen berechnet und anhand entsprechender Messungen qualifiziert. Im Einzelnen, wurden verschiedene Programmpackete aus dem ADAS Projekt benutzt. Dabei wurde zunächst mit dem Cowan-code (Hartree-Fock Algorithmus) die elektronische Struktur der Wolframionen berechnet. Im Weiteren wurden, wiederum mit dem Cowan-code, Elektronenstoßquerschnitte mittels der ebenen Wellen Born-Näherung bestimmt. Durch ein Stoß-Strahlung-Modell wurden Modell-Spektren für alle W-Ionen berechnet. Die Ionisations- und Rekombinationsraten von Wolfram wurden mittels semi-empirischer Formeln und den elektronischen Strukturrechnungen des Cowan-codes gewonnen. Den Atomdaten werden experimentellen Messungen vom Garchinger Tokamak ASDEX Upgrade und der Berliner Elektron-Beam Ion Trap (EBIT) gegenüber gestellt. Die experimentellen Untersuchungen erstrecken sich bis zu 5keV Elektronentemperatur, was der oberen Grenze für Standard-Plasmabetrieb an ASDEX Upgrade entspricht. Durch das Phänomen 'Verunreinigungsakkumulation', was durch ein stark zugespitztes Verunreinigungsdichteprofil charakterisiert ist, ergibt sich die Möglichkeit, die relative Häufigkeit von Ag-ähnlichem W27+ bis Co-ähnlichem W47+ genau zu dokumentieren. Aus verschiedenen Datensätzen für Ionisation und Rekombination konnten die besten Daten identifiziert werden, welche aus einer 'configuration averaged distorted wave'-Rechnung für Ionisation und den hier berechneten Rekombinationsdaten bestehen. Für Ionenstufen unterhalb Se-ähnlichem W40+ sind trotzdem Abweichungen zu beobachten. Durch empirische Anpassung der Rekombinationsdaten werden diese beseitigt, während alle Randbedingungen, die sich aus den Messdaten ergeben, erfüllt sind. Bei der Analyse der Spektren wurde besonderen Wert auf die beiden intensivsten spektralen Strukturen bei 4-6nm (VUV) und bei 0.4-0.8nm (weicher Röntgenbereich, SXR) gelegt. Bei 5nm zeigt sich eine Emissionsstruktur, die sich aus Spektrallinien von Ag-ähnlichem W27+ bis Cu-ähnlichem W45+ zusammensetzt. Durch Analyse von EBIT-Spektren konnten die Emissionen gut den Ionenstufen zugeordnet werden. Im Vergleich zu den Theoriedaten zeigen die Emissionen von Ionenstufen unterhalb Kr-ähnlichem W38+ (<2keV) nur mäßige Übereinstimmung. Die Emissionen von Se-ähnlichem W40+ bis Cu-ähnlichem W45+ (>2keV) stimmen dagegen gut mit den Modelldaten überein. Bei den Elektronentemperaturen über 2keV werden intensive Spektrallinien im SXR durch Kr-ähnliches W38+ bis ca. Mn-ähnliches W49+ emittiert. Diese werden gut durch die Theorie modelliert. Die spektralen Strukturen wurden systematisch auch für die dem W benachbarten Elemente Hafnium, Tantal, Rhenium, Gold, Blei und Wismut untersucht. Zusätzlich wurde auch das Spektrum von Xenon genauer untersucht, da Xenon in zukünftigen Fusionsplasmen zur Plasmakühlung eingeblasen werden könnte. Für alle untersuchten Elemente zeigt sich der gleiche Trend, dass die Theoriedaten für höhere Ionenladungsstufen und für höhere Elektronentemperaturen besser mit dem Experiment übereinstimmen. Darüberhinaus wurden Spektrallinien vorhergesagt, die im heißen Zentrum eines zukünftigen Reaktors emittiert werden und heute noch nicht charakterisiert sind. Schließlich wurde die Plasmakühlung durch Strahlung aus den ADAS-Daten berechnet, indem alle berechneten Emissionen summiert wurden. Es ergibt sich der sog. Strahlungsleistungsparameter (SP), der mit dem des gröberen 'Average Ion Modell' (AIM) verglichen wird. Dabei zeigt sich, dass zwischen 2-5keV ca. ein Faktor 2 weniger Strahlung durch die neuen Daten vorhergesagt werden. Der Unterschied zwischen den Datensätzen verschwindet für noch höhere Elektronentemperaturen ab ca. 15keV. Die Vorhersage der maximal tolerierbaren W-konzentration im Zentrum eines Fusionsreaktors ändert sich somit nicht.…