Erosion-deposition and fuel retention on plasma-facing components in fusion reactors
Tid: On 2025-02-05 kl 10.00
Plats: F3 (Flodis), Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/64462920278
Språk: Engelska
Respondent: Laura Dittrich , Elektromagnetism och fusionsfysik
Opponent: Associate professor Thomas Morgan, DIFFER & Eindhoven University of Technology, Netherlands
Handledare: Professor Per Brunsell, Elektromagnetism och fusionsfysik; Ph. D. Per Petersson, Elektromagnetism och fusionsfysik; Professor emeritus Marek Rubel, Elektromagnetism och fusionsfysik, Department of Physics and Astronomy, Ångström Laboratory, Uppsala University
Abstract
Forskning kring utveckling av fusionskraft har många vetenskapliga och tekniska utmaningar. Plasma-materialväxelverkan är nödvändig för energi- och partikelflöde men innebär samtidigt risker för plasmaexponerade material och påverkar plasmats renhet och prestanda. Den så kallade första väggen måste kunna motstå höga energi- och partikelflöden utan att kräva frekvent underhåll. Därför är plasma-materialväxelverken avgörande för fusionsreaktorers prestanda, driftsäkerhet och ekonomi. Denna avhandling fokuserar på bränsleansamling samt erosions- och depositionsmekanismer, och utvärderar plasma-väggväxelverkan genom studier av komponenter från JET-tokamaken med helt metallisk, ITER-liknande vägg (JET-ILW). Därtill studeras effekterna på prestanda hos diagnostiska speglar i fusionsmiljö.
Arbetet omfattar den första studien av de beryllium-belagda beklädnadsplattorna för den inre väggen (inner wall cladding tiles) från JET, den visar mekanismer för hur beryllium (Be) flagnar och fastställer en undre gräns för deuterium (D)-ansamling i dessa plattor. Dessa fynd stöder en extrapolerad uppskattning av den globala bränsleansamlingen i JET-ILW för plasmaexponerade komponenter (PFC), vilket är relevant inför den kommande D-T-driften, med en total ansamling av 4,19 ⋅ 1023 D-atomer (0,19 % av det insprutade D-bränslet) efter ILW-3-kampanjen. Avhandlingen inkluderar en undersökning för att förbättra jämförbarheten mellan bränsleansamlingsstudier för JET PFC. Studier på Be-limiters och volfram (W)-divertorplattor möjliggjorde en detaljerad analys av avsatta element, som bekräftar generellt låg bränsleretention och påvisar H-D-utbyte på ytor efter användning av väte under ILW-2-kampanjen. En omfattande analys av ansamlade gaser i PFC visar att kväve (N) bibehålls under JET-driften, med ansamlingsnivåer som korrelerar med N-injektionsmängderna. Dessutom påträffades spårmängder av injicerade gaser på PFC-ytorna, medan ansamling av kol (C) var låg, vilket bekräftar frånvaron av direkta C-källor i JET-ILW. Denna omfattande analys av JET PFC förbättrar förståelsen av materialmigration och bränsleansamling i JET-tokamaken med ILW.
Avhandlingen undersöker vidare hur fusionsmiljöer påverkar diagnostiska speglars prestanda. I experiment med jonbestrålning jämfördes enkristallina och polykristallina molybden (Mo)-speglar, där endast små prestandaskillnader observerades. Effekterna av W och, för första gången, bor (B) på speglarnas reflektivitet utvärderades, med resultat som indikerar betydande prestandarisker från avlagringar, särskilt från B i kortvågsområdet. Laboratoriestudier kopplar ytskador till bränsleretention, och ett unikt in situ-experiment i JET med förskadade Mo-speglar introduceras för att bedöma retention under driftsförhållanden.