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Analyse des Plasmas des JET-Fusionsreaktors

29.12.2011

Eine wichtige Voraussetzung für ein stabiles Plasma ist ein möglichst geringer Verlust geladener Teilchen. Lange Zeit war es jedoch nicht möglich, diese Verluste messtechnisch zu bestimmen, da aktive Messgeräte die großen Teilchenflüsse im Fusionsreaktor nicht überstehen würden. Ein weiteres Problem für die Messtechnik sind die hohen elektromagnetischen Felder. Eine neue Methode zur Bestimmung von Teilchenverlusten aus Fusionsplasmen kombiniert die Aktivierung von Proben durch Neutronen und geladene Teilchen mit der Analyse dieser Proben durch ultra-empfindliche Gamma-Spektrometrie. Die Proben fungieren dabei als passive Detektoren und sind daher von den genannten Problemen nicht betroffen. Die Proben wurden im JET-Tokamak (Culham, Großbritannien) durch Neutronen und geladene Teilchen aktiviert. Die Aktivierungsprodukte dieser Proben geben Auskunft über den Fluss und die räumliche Verteilung von Neutronen und geladenen Teilchen, insbesondere von Protonen.

In einem ersten Experiment wurden 36 Proben, aus den Materialien Ti, LiF, B4C und W, in einem Probenhalter aus Bornitrid an der Decke im Inneren des Plasmatanks angebracht. Die Aktivierung der Proben geschah durch 63 Pulse eines D-3He Plasmas. Die Aktivitätsmessungen wurden dann in verschiedenen Untergrund-Laboratorien des CELLAR-Netzwerkes (Collaboration of European Low-level underground LAboRatories) durchgeführt. Untergrundlaboratorien sind erforderlich, um Aktivierungsprodukte in geringsten Spuren nachweisen zu können; denn die zu messenden Aktivitäten lagen teilweise im mBq-Bereich und darunter. Wegen kurzer Halbwertszeiten mussten möglichst viele Proben simultan analysiert werden. Daher waren drei Laboratorien an der Analyse der Proben beteiligt: IRMM (Institute for Reference Materials and Measurements), PTB und LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso). Insgesamt standen in diesen Einrichtungen 12 hochempfindliche Reinst-Germanium-Detektoren zur Verfügung. In unterschiedlichen Proben wurden die Radionuklide 7Be, 46Sc, 54Mn, 56Co, 57Co, 58Co, 124Sb, 181Hf, 182Ta, 181W und 185W sowie geringe Spuren von 47Sc und 48V gefunden. Die verschiedenen Reaktionskanäle wurden analysiert.

In den letzten Jahren wurden drei Messkampagnen dieser Art durchgeführt [1, 2]. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der ersten beiden Messkampagnen wurden in der dritten einige Verbesserungen eingeführt: Eine größere Anzahl von Proben wurde aktiviert (insgesamt 45), neue Probenmaterialien wurden verwendet (V, Co, Rh und Y), die Plasmabedingungen im Reaktor wurden optimiert, um den Teilchenfluss in der Nähe der Proben zu erhöhen, und einige Proben wurden als gestapelte Festkörper realisiert, wobei zur Analyse des Protonenspektrums die Energieabhängigkeit der Eindringtiefe von Protonen ausgenutzt wurde. Ein wesentliches Ziel des dritten Experiments war die Charakterisierung der Protonenverteilung im JET-Tokamak.

Diese Messungen lieferten wichtige Beiträge zum Verständnis des Plasmas des zurzeit größten Plasma-Forschungsreaktors der Welt. Zum ersten Mal konnten quantitative Daten über Verluste geladener Teilchen und insbesondere der Teilchenfluenz auf die Reaktorwand gewonnen werden. Die Ergebnisse lieferten wichtige Eckdaten für Monte-Carlo-Simulationen zur Beschreibung des Fusionsplasmas. Aus den Simulationen konnten weitere wichtige Informationen über das Plasma abgeleitet werden. Die neue Methode wird in Zukunft auch in anderen Fusionsreaktoren eingesetzt werden.

Literatur:

  1. J.S.E. Wieslander, M. Hult, G. Bonheure, D. Arnold, H. Dombrowski, J. Gasparro, G. Marissens, M. Laubenstein, G. Marissens, P. Vermaercke:
    Low-level gamma-ray spectrometry for analysing fusion plasma conditions.
     Nucl. Instr. and Meth. A 591 (2008), S. 383-393.
  2. R. González de Orduña, M. Hult, G. Bonheure, D. Arnold, H. Dombrowski, M. Laubenstein, E. Wieslander, T. Vidmar, P. Vermaercke:
    Angular distribution of proton leakage from a fusion plasma using ultra low-level gamma-ray spectrometry.
    Appl. Radiat. Isot. Vol. 68 (2010), S. 1226-1230.