FWF-P21061

Abstract English

Hydrocarbon Transport and Chemistry in Tokamaks

Controlled nuclear fusion is one of the potentially most promising energy sources of the future, but its realisation on earth is a formidable problem. The physical and technological feasibility is to be demonstrated by the planned fusion experiment ITER, which is one of the most important co-operative research projects of the beginning 21st century. From the technological point of view ITER will be a tokamak, similar to the biggest existing machine JET (Joint European Torus) in Culham (GB), where the gas of deuterium and tritium fusion fuel particles is magnetically confined and heated up to over 100 million K (fully ionized plasma) at sufficiently high densities and for a sufficiently long time. With fusion plasmas approaching reactor conditions, one has to deal with the problem of finding materials that can sustain an incident flow of hot plasma (104 – 105 K) at a flux about 1025 particles/s onto the divertor target blades of the tokamak for a long time. Especially in ITER the power loads could be very high under certain conditions (“ELMs”), leading to substantial erosion of the divertor target blates. One of the major issues for next-generation tokamaks like ITER will be the problem of co-deposition of tritium via hydrocarbons in the divertor target materials, if the carbon option is kept open for fusion. Hydrocarbons are likely to be produced at divertor target blades by chemical erosion processes. For studying these hydrocarbons the Monte Carlo Code EIRENE has been extended with the so called trace ion module, which now allows to study not only the chemistry of the hydrocarbons, but also the transport of the related molecular ions. Within the present project we propose to extend the EIRENE code further with new physics modules for anomalous transport and finite Larmor radius effects. Finite Larmor radius effects are especially important for highly energetic ions, which are produced during neutral beam heating. The extended code package will then be applied to simulate the catabolism of methane during gas puffs in the existing tokamaks MAST and TEXTOR. Finally, predictive simulations for studying the hydrocarbon catabolism and carbon migration in the next generation tokamak ITER will be performed. The proposed project will significantly contribute to a better understanding of the transport and molecular processes which hydrocarbons undergo in the divertor region of a tokamak and hence of the tokamak device as a whole.

Abstract German

Transport und Chemie von Kohlenwasserstoffen in Tokamaks

Strom aus Kernfusionskraftwerken wird als vielversprechende Option für eine mögliche zukünftige Energieversorgung angesehen. Die Realisierung eines brennenden Fusionsplasmas stellt dabei eine der größten Herausforderungen des beginnenden 21 Jahrhunderts dar, dessen physikalische und technologische Machbarkeit mit dem geplanten internationalen Tokamak-Experiment ITER gezeigt werden soll. Dabei wird ein Plasma aus Deuterium und Tritium auf mehr als 100 Millionen Grad geheizt und bei genügend hohen Dichten und hinreichend langer Einschlußzeit magnetisch eingeschlossen. Unter Reaktorbedingungen werden Materialien im Divertorbereich des Tokamaks besonders belastet und müssen einem Fluss von 1025 Teilchen/s bei einer Temperatur von 104 – 105 K standhalten. Die Suche nach geeigneten Materialien, welche diesen Bedingungen optimal widerstehen, stellt nach wie vor eine große Herausforderung im Rahmen der Fusionsforschung dar. Speziell in ITER können diese Belastungen unter bestimmten Bedingungen (“ELMs”) stark ansteigen. Derzeit wird als Material für Divertor-Platten in ITER Kohlenstoff favorisiert. Da jedoch darauf tritierte Kohlenwasserstoffe durch chemische Erosionsprozesse produziert werden, ergibt sich das Problem der Anlagerung von Tritium im Wandmaterial des Reaktors. Zur Untersuchung derartiger Effekte wurde der Monte Carlo Code EIRENE mit dem so genannten „Trace Ion Module“ erweitert, um neben der Chemie der Kohlenwasserstoffe auch den Transport der resultierenden molekularen Ionen beschreiben zu können. Im vorliegenden Projekt wird dieser EIRENE Code weiter erweitert, um auch Effekte durch anomalen Transport und Effekte aufgrund endlicher Larmorradien der beteiligten Ionen studieren zu können. Solche Larmorradius-Effekte sind gerade bei hochenergetischen Ionen, welche z.B. bei Neutralgaseinschuss entstehen, von Bedeutung. Das weiterentwickelte numerische Verfahren wird dann zur Simulation des Zerfalls von Methan während des Gas-Einblasens in den bestehenden Tokamaks MAST und TEXTOR eingesetzt. Schließlich werden Simulationsrechnungen für ITER durchgeführt, um den Transport der Kohlenwasserstoffe im ITER-Divertor zu untersuchen. Das vorliegende Projekt soll dazu beitragen, die molekularen Prozesse, welche Kohlenwasserstoffe im Divertor durchlaufen, und den dazugehörigen Transport im Tokamak besser zu verstehen.