Open Access

Uwe Kurutz

• Neutral beam injection (NBI) represents a main auxiliary heating and current drive system for thermonuclear fusion devices. For ITER, a total heating power of up to 33 MW will be delivered for up to one hour pulses at particle energies of up to 1 MeV by two NBI systems. The respective ion sources will therefore have to allow for the extraction and acceleration of negative hydrogen ions at a current density of 200 A/m² from a low pressure low temperature hydrogen plasma. Also for the succeeding demonstration reactor DEMO the application of NBI is currently discussed. Respective systems will, however, have to fulfil even higher demands, like higher powers (up to 135 MW), longer pulse lengths (2 h or even cw operation), and more restrictive constrains regarding the reliability and stability. Today efficient NBI negative hydrogen ion sources are based mainly on the conversion of positive hydrogen ions and/or hydrogen atoms at a grid surface coated with caesium. Cs is used for reducing theNeutral beam injection (NBI) represents a main auxiliary heating and current drive system for thermonuclear fusion devices. For ITER, a total heating power of up to 33 MW will be delivered for up to one hour pulses at particle energies of up to 1 MeV by two NBI systems. The respective ion sources will therefore have to allow for the extraction and acceleration of negative hydrogen ions at a current density of 200 A/m² from a low pressure low temperature hydrogen plasma. Also for the succeeding demonstration reactor DEMO the application of NBI is currently discussed. Respective systems will, however, have to fulfil even higher demands, like higher powers (up to 135 MW), longer pulse lengths (2 h or even cw operation), and more restrictive constrains regarding the reliability and stability. Today efficient NBI negative hydrogen ion sources are based mainly on the conversion of positive hydrogen ions and/or hydrogen atoms at a grid surface coated with caesium. Cs is used for reducing the grid's work function which significantly enhances the particle conversion probability. However, the alkali metal is chemically very reactive and easily forms compounds with residual gas impurities. Furthermore, complex redistribution dynamics of the deposited Cs layer is given. This inherently links the application of Cs with a temporal and spatial non-stability of the negative ion yield, which contradicts the required reliability of a DEMO NBI system. Thus, for DEMO, Cs-free alternative materials for negative ion formation are investigated within this work at a flexible laboratory experiment. An ECR discharge is used which provides comparable parameters (pressure, densities, particle fluxes and –energies) to the NBI ion sources. Negative ion formation is measured above different material samples via laser photodetachment together with global plasma parameters using a Langmuir probe and optical emission spectroscopy. The plasma parameters are used for modelling the inherently present volume processes for negative hydrogen ions which allows for assessing a material's direct and indirect impact on the negative ion density. Furthermore, two reference cases are investigated: an in-situ caesiated stainless steel sample and a pure stainless steel sample, where the former represents the current most efficient direct pathway and the latter provides insight into the negative ion background determined by the volume processes. Different materials known from literature to produce negative ions either directly or indirectly, like pure tantalum and tungsten, different boron-doped and non-doped diamond samples as well as two materials characterized by an intrinsic low work function (a molybdenum sample doped with lanthanum and a lanthanum hexaboride sample) have been investigated. The investigations showed that compared to the pure stainless steel reference sample neither tantalum, tungsten nor any of the diamond samples result in an increment of the negative ion density. Furthermore, all diamond materials show clear indications for plasma induced erosion (modified surface structure and reduced sample weight) and they significantly influence the plasma volume by an adverse effect on the negative ion production. In contrast, both samples with intrinsically low work function result in an increased negative ion density of up to 60 % compared to the stainless steel reference. This enhancement is still significantly lower than the enhancing effect measured for Cs evaporation, which leads to an increment of up to a factor of 2.5, attributable to the still higher work functions of about 3 eV compared to 2.1 eV for Cs. In conclusion, following investigations on Cs-free alternative materials should be focused on low work function materials.…
• Für Fusionsreaktoren zählen Neutralteilcheninjektoren (engl. Neutral Beam Injection, kurz NBI) mit zu den effizientesten externen Heiz- und Stromtriebsystemen. Beim Forschungsreaktor ITER werden zwei solcher Systeme eine Heizleistung von insgesamt 33 MW über Pulsdauern von bis zu einer Stunde und Teilchenenergien von 1 MeV liefern. Die hierfür verwendeten Ionenquellen müssen dabei aus einem Niederdruck-Niedertemperatur Wasserstoffplasma negative Wasserstoffionenstrahlen mit einer Stromdichte von 200 A/m² liefern. Auch für das folgende Demonstrationskraftwerk DEMO wird die Verwendung von NBI Systemen diskutiert. Von entsprechenden Systemen werden jedoch noch höhere Anforderungen wie z.B. höhere Leistungen (bis zu 135 MW) und längere Pulsdauern (2 h oder sogar Dauerbetrieb) sowie restriktivere Vorgaben bzgl. der Stabilität und Reproduzierbarkeit gefordert. Derzeit werden in NBI Quellen negative Wasserstoffionen hauptsächlich durch die Konversion von positiven Ionen und/oderFür Fusionsreaktoren zählen Neutralteilcheninjektoren (engl. Neutral Beam Injection, kurz NBI) mit zu den effizientesten externen Heiz- und Stromtriebsystemen. Beim Forschungsreaktor ITER werden zwei solcher Systeme eine Heizleistung von insgesamt 33 MW über Pulsdauern von bis zu einer Stunde und Teilchenenergien von 1 MeV liefern. Die hierfür verwendeten Ionenquellen müssen dabei aus einem Niederdruck-Niedertemperatur Wasserstoffplasma negative Wasserstoffionenstrahlen mit einer Stromdichte von 200 A/m² liefern. Auch für das folgende Demonstrationskraftwerk DEMO wird die Verwendung von NBI Systemen diskutiert. Von entsprechenden Systemen werden jedoch noch höhere Anforderungen wie z.B. höhere Leistungen (bis zu 135 MW) und längere Pulsdauern (2 h oder sogar Dauerbetrieb) sowie restriktivere Vorgaben bzgl. der Stabilität und Reproduzierbarkeit gefordert. Derzeit werden in NBI Quellen negative Wasserstoffionen hauptsächlich durch die Konversion von positiven Ionen und/oder Wasserstoffatomen an mit Cäsium bedampften Gittern erzeugt. Cs bewirkt hierbei eine Reduktion der Austrittsarbeit des Gitters, was die Konversionswahrscheinlichkeit auftreffender Teilchen signifikant erhöht. Das Alkalimetall ist chemisch jedoch sehr reaktiv und geht leicht mit vorhandenen Restgasverunreinigungen Verbindungen ein. Zudem ist eine komplexe Umverteilungsdynamik der abgelagerten Schichten gegeben. Dadurch ist der Einsatz von Cs mit einer zeitlichen und lokalen Variabilität der negativen Ionen Erzeugung verknüpft, welche der geforderten Verlässlichkeit eines DEMO NBI Systems widerspricht. In Hinblick auf DEMO wurden daher im Rahmen dieser Dissertation Cs-freie Alternativmaterialien zur Erzeugung negativer Wasserstoffionen in einem flexiblen Laborexperiment untersucht. Hierfür wurde eine ECR-Entladung zur Erzeugung eines Niederdruck-Niedertemperatur Wasserstoffplasmas genutzt, welches vergleichbare Parameter (Druck, Dichten, Teilchenflüsse und -energien) erreicht, wie sie in den oben genannten Ionenquellen vorliegen. Die negative Ionendichte wurde oberhalb verschiedener Materialproben mittels Laserphotodetachment gemessen und globale Plasmaparameter über eine Langmuirsonde sowie über die optische Emissionsspektroskopie bestimmt. Diese Parameter bildeten die Grundlage für die Modellierung der inhärent im Plasmavolumen ablaufenden Prozesse negativer Ionen, was eine genauere Analyse des direkten und indirekten Einflusses der Materialien auf die negative Ionendichte erlaubte. Zudem wurden zwei Referenzfällen untersucht: der Effekt einer in-situ mit Cs bedampften Probe und der einer reinen Edelstahlprobe. Während erstere die derzeit effizienteste direkte Erzeugung negativer Wasserstoffionen an Oberflächen repräsentiert, konnten durch letztere die reinen Volumen Prozesse systematisch untersucht werden. Es wurden nach einer dedizierten Literaturrecherche Proben aus reinem Tantal und Wolfram, unterschiedliche bordotierte und undotierte Diamantproben sowie zwei Materialien mit intrinsisch geringer Austrittsarbeit (eine Molybdänprobe versetzt mit Lanthan und eine Probe aus Lanthanhexaborid) untersucht. Dabei zeigte sich, dass weder Tantal, Wolfram noch die verschiedenen Diamantproben zu einer messbaren Erhöhung der negativen Ionendichte im Vergleich zur Edelstahlreferenzprobe führen. Zudem zeigten die Diamantproben nach der Plasmabeaufschlagung deutliche Zeichen der Erosion (veränderte Oberflächenstruktur und ein reduziertes Gewicht) und beeinflussten deutlich die Volumen Prozesse negativer Ionen. Nur die Proben mit intrinsisch geringer Austrittsarbeit führten, im Vergleich zur Edelstahlreferenzprobe, zu einer Erhöhung der gemessenen negativen Ionendichten um bis zu 60%. Der Effekt viel jedoch, wegen der höheren Austrittsarbeiten von ca. 3.0 eV deutlich geringer aus, als wie er bei Cs Verdampfung (Austrittsarbeit etwa 2.1 eV) erreicht wurde. Im gegebenen experimentellen Aufbau erhöhte dies die negative Ionendichte um einen Faktor 2,5. Trotz der vergleichsweise geringen Erhöhung, die mit diesen beiden Cs-freien Materialien gemessen wurde, zeigten die durchgeführten Untersuchungen, dass bei der Suche nach Cs-freien Alternativmaterialien vor allem Materialien geringer Austrittsarbeit vielversprechende Kandidaten sind.…