Diagnostic mirror concept development for use in the complex environment of a fusion reactor

Krimmer, Andreas; Allelein, Hans-Josef; Samm, Ulrich; Singheiser, Lorenz

doi:HT019173354

Diagnostic mirror concept development for use in the complex environment of a fusion reactor = Konzeptentwicklung diagnostischer Spiegel für den Einsatz in der komplexen Umgebung eines Fusionsreaktors

Krimmer, Andreas

2016 & 2017

VerantwortlichkeitsangabeAndreas Joachim Krimmer

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek 2016

Umfangx, 123 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-180-4

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt ; 341

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Druckausgabe: 2016. - Onlineausgabe: 2016. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Allelein, Hans-Josef (Thesis advisor) ; Samm, Ulrich (Thesis advisor) ; Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-04-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-080561
DOI: 10.18154/RWTH-2016-08056
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/672408/files/672408.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/672408/files/672408.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und -technik (413110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
diagnostic mirror design (frei) ; fusion (frei) ; ITER (frei) ; CXRS (frei) ; thermo-mechanical design (frei) ; elevated temperature vis dielectric coating (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Optische Spiegel werden in Diagnostiken von Fusionsreaktoren eingesetzt, um Licht durch die das Plasma umgebenden Strukturen zu leiten. Mit zunehmender Baugröße, Reaktorleistung und Plasmabrenndauer erhöhen sich dabei die Anforderungen an die Spiegel verglichen mit aktuell realisierten Systemen und es kommen neue hinzu. Im Rahmen der Arbeit wird die Auslegung von diagnostischen Spiegeln innerhalb der Vakuumkammer des Versuchsreaktors ITER (lat. "der Weg") und nachfolgender Fusionskraftwerke diskutiert.Auf Basis der Umgebungsbedingungen nahe dem Fusionsplasma werden bestehende Konstruktionen sowie Optionen für die Spiegeloberfläche auf ihre Eignung untersucht. Problematisch sind hier nicht einzelne Randbedingungen sondern deren Kombination mit den daraus entstehenden Wechselwirkungen. Abgeleitet aus dem Stand der Technik werden Teillösungen für zentrale Punkte der Konstruktion allgemein dargestellt. Einbezogen sind die Auswahl des Substrats, dessen Montage, Einstellung und thermischen Kontaktierung sowie Positionierung des Zusammenbaus kompatibel mit Wartung in Heißen Zellen.Aufbauend auf diesen Überlegungen wird eine Konstruktion für die Spiegel der Charge Exchange Recombination Spectroscopy (CXRS) Diagnostik für den Plasmakern in ITER erstellt und mittels Simulation untersucht und bewertet. Zusätzlich werden anhand von Prototypen Versuche durchgeführt, um kritische Teilaspekte des vorgeschlagenen Konzepts auch experimentell nachzuweisen. Dies umfasst die Positionierung mittels Stiften, Herstellung eines innen liegenden und an die Spiegelform angepassten vakuumdichten Fluidkanals und Versuche mit einer Interferenzbeschichtung aus SiO$_2$ und TiO$_2$ auf Edelstahl unter ausgesuchten ITER-Bedingungen. Mit den allgemeinen Überlegungen zur Konstruktion wurde eine Basis geschaffen die auch zur Spiegelentwicklung anderer Diagnostiken Anwendung finden kann. Für das Spiegelkonzept von core CXRS konnte die generelle Eignung gezeigt werden und es wurden die kritischen Punkte identifiziert, die weitere Entwicklungsleistung benötigen.

Light-based diagnostic systems of fusion reactors require optical mirrors to channel light through the structures surrounding the plasma. With increasing plasma volume, power and plasma burn time, the environmental conditions grow more demanding and new requirements arise. In this dissertation, the design of optical mirrors inside the vacuum chamber of the prototype reactor ITER (Latin "the way") and future fusion power plants are investigated.Comparing the state of the art with the boundary conditions close to the fusion plasma, existing mirror designs and choices for the reflective surface are evaluated. For the design, it is not the individual boundary conditions that are critical, but rather, their combination and the resulting interactions. Drawing from the existing designs, possible realizations for central functionality are discussed. Included in the discussion are substrate choice, mounting, adjustment and thermal contacting as well as positioning of the mirror assembly compatible with hot cell maintenance.Building on the general discussion, mirror concepts for the charge exchange recombination spectroscopy (CXRS) diagnostic system for the ITER plasma core are proposed and simulated. In addition, prototypes are manufactured and tested to assess critical aspects of the proposed design. Testing includes positioning by pins, manufacturing of a stainless steel substrate with fluid channels adapted to the mirror shape, and tests with an SiO$_2$/TiO$_2$ dielectric coating under selected ITER conditions.As a result of the work, the fusion reactor mirror design considerations given in the principal design discussion can be used as a basis for other diagnostic systems as well. In the case of the core CXRS mirror concept for ITER, the basic suitability was shown and critical topics were identified where additional work is necessary.

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