Efficiency of RF plasma generation for fusion relevant ion sources

  • In view of a growing energy demand, harnessing nuclear fusion as an energy source is an appealing prospect. The fusion experiment ITER aims to demonstrate the technological and scientific feasibility of a positive power balance via the thermonuclear fusion within a magnetically confined plasma. It will be followed by the DEMOnstration power plant DEMO, envisaged to be the first fusion device to generate net electricity. To achieve the conditions required to sustain the fusion process in these devices, powerful and highly reliable heating systems such as the neutral beam injection based on negative ions (NNBI) are required. These systems rely on sources for negative ions operating low-pressure discharges: at NNBI ion sources for ITER, inductively coupled plasmas (ICPs) in D2 at a pressure of 0.3 Pa will operated with a total RF power up to 800 kW at an excitation frequency of 1 MHz. However, such a high power poses strong demands on the RF generators and circuits and may thus limitIn view of a growing energy demand, harnessing nuclear fusion as an energy source is an appealing prospect. The fusion experiment ITER aims to demonstrate the technological and scientific feasibility of a positive power balance via the thermonuclear fusion within a magnetically confined plasma. It will be followed by the DEMOnstration power plant DEMO, envisaged to be the first fusion device to generate net electricity. To achieve the conditions required to sustain the fusion process in these devices, powerful and highly reliable heating systems such as the neutral beam injection based on negative ions (NNBI) are required. These systems rely on sources for negative ions operating low-pressure discharges: at NNBI ion sources for ITER, inductively coupled plasmas (ICPs) in D2 at a pressure of 0.3 Pa will operated with a total RF power up to 800 kW at an excitation frequency of 1 MHz. However, such a high power poses strong demands on the RF generators and circuits and may thus limit the reliability of the ion source. In view of DEMO, it is therefore highly beneficial to reduce the RF power consumption, while retaining the plasma parameters relevant for negative ion production. In this context, two alternatives to ICPs driven at 1 MHz considered to be promising in view of an efficient plasma generation at ion sources are fundamentally assessed within this work: ICPs driven at a higher frequency and helicon discharges operated at low magnetic fields ( ≤ 12 mT), which rely on plasma heating via propagating electromagnetic waves. The investigations are conducted at a versatile laboratory setup operated at lower RF powers than ion sources. It can be equipped with a helical coil for inductive heating or with a Nagoya type-III antenna for helicon operation. RF generated plasmas at frequencies between 1 and 4 MHz and RF powers up to 2 kW in H2 and D2 at conditions relevant for ion sources are considered. Due to its comprehensive diagnostic setup, the RF power transfer efficiency and the discharge parameters most crucial for an efficient and reliable plasma generation in view of ion sources are accessible. This allows for a direct comparison of the proposed alternative plasma generation techniques to the baseline case of ICPs driven at 1 MHz. The final aim of the present approach is to identify whether any of the proposed methods is promising enough to qualify for a further assessment at a larger scale. Serving as the reference case for the alternative plasma generation methods, ICPs at 1 MHz are investigated in detail in the pressure range between 0.3 and 10 Pa. It is shown that the power absorbed by the discharge can be analytically approximated to be proportional to the effective plasma conductivity - a correlation prior known only for noble gas discharges. Directly comparing H2 and D2 discharges, a higher RF power transfer efficiency in deuterium is observed. This is attributed to a larger atomic fraction in D2 plasmas, enhancing the ionization rate and thus the electron density compared to hydrogen at the same operational parameters. Applying 2 and 4 MHz, the effect of a higher excitation frequency on H2 & D2 ICPs is investigated. At the present parameters, an increasing frequency globally enhances the RF power absorption of the plasma, as the difference between the electron collision frequency and the angular excitation frequency is reduced. At a low power of 520 W, the power transfer efficiency at 4 MHz is significantly enhanced at the ion source relevant pressure of 0.3 Pa. At higher RF power, the frequency-induced differences gradually reduce since the plasma is generally well capable of absorbing the provided RF power. Applying a higher frequency than 1 MHz in the high power regime of ion sources does therefore not entail the potential to decisively reduce the power consumption. H2 & D2 helicon discharges in the pressure range between 0.3 Pa and 1 Pa are investigated at low magnetic fields up to 12 mT at 4 MHz. At fields above 3 mT, the transition to the wave heated mode is achieved, whereas between 8mT and 10 mT, a local maximum of the RF power transfer occurs – the characteristic low-field peak typical for helicon discharges. Compared to the ICPs, the RF power transfer efficiency in these discharges is lower, but the electron density is enhanced by a factor of 2 in D2 at the same RF power. This appears as a very promising feature in view of an envisaged lower power consumption of ion sources for NNBI at DEMO. Based on the results obtained within this work, it is suggested that wave heated discharges are therefore considered for further investigations, e.g. at test beds for ion sources operating at much higher RF power.show moreshow less
  • Hinsichtlich des weltweit steigenden Energiebedarfs erscheint die Nutzung der Kernfusion zur Energiegewinnung als vielversprechende Perspektive. Das Fusionsexperiment ITER soll dazu die technologische Realisierbarkeit einer positiven Energiebilanz mittels thermonuklearer Fusion in magnetisch eingeschlossenen Plasmen demonstrieren. Als Nachfolger von ITER ist das DEMOnstrationskraftwerk DEMO vorgesehen, welches erstmals nutzbare elektrische Energie durch Fusion erzeugen soll. Um die für den Fusionsprozess notwendigen Bedingungen in diesen Reaktoren zu gewährleisten sind leistungsstarke Heizsysteme notwendig – z.B. die Neutralteilcheninjektion basierend auf negativen Ionen (NNBI). Wesentlicher Bestandteil dieser sind Quellen für negative Wasserstoff- bzw. Deuteriumionen. Für die NNBI an ITER werden in diesen mittels Hochfrequenzeinstrahlung bei 1 MHz induktiv gekoppelte Plasmen (ICPs) bei einem Druck von 0,3 Pa in H2 und D2 und Leistungen von bis zu 800 kW betrieben. Solch hoheHinsichtlich des weltweit steigenden Energiebedarfs erscheint die Nutzung der Kernfusion zur Energiegewinnung als vielversprechende Perspektive. Das Fusionsexperiment ITER soll dazu die technologische Realisierbarkeit einer positiven Energiebilanz mittels thermonuklearer Fusion in magnetisch eingeschlossenen Plasmen demonstrieren. Als Nachfolger von ITER ist das DEMOnstrationskraftwerk DEMO vorgesehen, welches erstmals nutzbare elektrische Energie durch Fusion erzeugen soll. Um die für den Fusionsprozess notwendigen Bedingungen in diesen Reaktoren zu gewährleisten sind leistungsstarke Heizsysteme notwendig – z.B. die Neutralteilcheninjektion basierend auf negativen Ionen (NNBI). Wesentlicher Bestandteil dieser sind Quellen für negative Wasserstoff- bzw. Deuteriumionen. Für die NNBI an ITER werden in diesen mittels Hochfrequenzeinstrahlung bei 1 MHz induktiv gekoppelte Plasmen (ICPs) bei einem Druck von 0,3 Pa in H2 und D2 und Leistungen von bis zu 800 kW betrieben. Solch hohe Leistungen sind jedoch an der Grenze der technischen Machbarkeit und stellen ein Risiko für den zuverlässigen Quellenbetrieb dar. Im Hinblick auf DEMO ist es daher erstrebenswert, den HF-Leistungsverbrauch zu reduzieren, während die für die Ionenproduktion relevanten Plasmaparameter beibehalten werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden daher zwei mögliche Plasmaerzeugungmethoden als Alternative zu ICPs bei 1 MHz grundlegend untersucht, die im Hinblick auf eine Effizienzsteigerung vielversprechend erscheinen: einerseits ICPs betrieben bei höheren Frequenzen, andererseits auf Wellenheizung basierende Helikonentladungen im Bereich niedriger Magnetfelder (≤ 12 mT). Die Untersuchungen wurden durchgeführt an einem Laborexperiment, betrieben bei geringeren HF-Leistungen von bis zu 2 kW. Das Experiment kann wahlweise mit einer helikalen Spule für den ICP-Betrieb oder mit einer Nagoya Typ-III Helikon-Antenne ausgestattet werden und dabei im Frequenzbereich zwischen 1 und 4 MHz betrieben werden. Mittels des diagnostischen Setups können die HF-Kopplungseffizienz sowie die für effiziente Ionenquellen maßgeblichen Plasmaparameter der H2 bzw D2 Plasmen bestimmt werden. Dies erlaubt den quantitativen Vergleich der untersuchten alternativen Plasmaerzeugungsmethoden mit der Referenz der ICPs bei 1 MHz. Das grundsätzliche Ziel dieser Arbeit ist es, zu identifizieren, ob die vorgeschlagenen Alternativen tatsächlich vielversprechend genug sind für eine weiterführende Untersuchung auf größerer Skala – z.B. bei höherer Leistung. Am Beispiel der induktiven Referenzentladungen bei 1 MHz wird im Druckbereich von 0,3 Pa bis 10 Pa zunächst gezeigt, dass die Leistungsabsorption in H2 bzw D2 ICPs in einer analytischen Näherung als proportional zur Plasmaleitfähigkeit anzunehmen ist – ein Zusammenhang der bisher nur für Edelgasplasmen bekannt war. Werden Plasmen in H2 und D2 direkt verglichen, so liegt eine höhere HF-Kopplungseffizienz in Deuterium vor. Als eine Ursache dessen kann eine höhere Dichte an Atomen in D2 Plasmen identifiziert werden, die zu einer Steigerung der Ionisationsrate und somit zu höheren Elektronendichten im Vergleich zu Wasserstoff bei gleichen Parametern führen. Am Beispiel von 2 und 4 MHz wird der Einfluss höherer Anregungsfrequenzen für ICPs untersucht. Bei den vorliegenden Parametern steigt die HF-Leistungsdeposition in den Plasmen mit der Frequenz an, da der Unterschied zwischen der Elektronenstoßfrequenz und der Anregungskreisfrequenz sich zunehmend reduziert. Bei einer geringen Leistung von 520 W kann die Kopplungseffizienz dadurch gerade bei geringen Drücken deutlich erhöht werden. Bei höherer HF-Leistung nehmen die frequenzinduzierten Unterschiede immer weiter ab, da die Plasmen grundsätzlich in der Lage sind, hohe Kopplungseffizienzen zu erreichen. Die Anwendung einer höheren Frequenz als 1 MHz im Hochleistungsbereich von Ionenquellen birgt daher nicht das Potenzial, den Energieverbrauch entscheidend zu reduzieren. Wellengeheizte H2 und D2 Entladungen werden im Druckbereich von 0,3 bis 1 Pa, bei niedrigen Magnetfeldern bis 12 mT und bei einer Anregungsfrequenz von 4 MHz untersucht. Oberhalb von 3 mT kann dabei der Übergang zu einem durch Wellenheizung dominierten Regime beobachtet werden. Zwischen 8 und 10 mT ergibt sich dabei ein lokales Maximum der HF-Leistungsdeposition – bekannt als der für Helikonentladungen charakteristische „low-field-peak“. Im Vergleich zu den ICPs ist die HF-Kopplungseffizienz bei diesen Entladungen zwar geringer, dafür aber die Elektronendichte bei gleicher HF-Leistung um einen Faktor von mindestens 2 erhöht. Dies erscheint als äußerst vielversprechend Aspekt im Hinblick auf das Ziel eines geringeren Energieverbrauchs von Ionenquellen für NNBI an DEMO. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit wird daher vorgeschlagen, Helikonentladungen für weitere Untersuchungen in Betracht zu ziehen, z.B. an den Testständen für Ionenquellen, die bei deutlich höheren HF-Leistung betrieben werden.show moreshow less

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Metadaten
Author:David RaunerORCiDGND
URN:urn:nbn:de:bvb:384-opus4-451010
Frontdoor URLhttps://opus.bibliothek.uni-augsburg.de/opus4/45101
Advisor:Ursel Fantz
Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of first Publication:2019
Publishing Institution:Universität Augsburg
Granting Institution:Universität Augsburg, Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
Date of final exam:2018/11/22
Release Date:2019/03/13
Tag:radio frequency discharge; inductively coupled plasma; low pressure plasma; neutral beam injection; helicon
GND-Keyword:Plasmaerzeugung; Niederdruckplasma; ICP; Hochfrequenzentladung
Institutes:Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät / Institut für Physik
Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät / Institut für Physik / AG Experimentelle Plasmaphysik (EPP)
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Licence (German):Deutsches Urheberrecht