Plasmarand- und Divertorphysik

Prof. Ulrich Stroth

Forschungsgebiet

Wir vertreten das Gebiet der Plasmaphysik an der TUM in Lehre und Forschung. Der
Fokus unserer Arbeiten liegt auf den Gebiet der magnetisierten
Hochtemperaturplasmen, die in Fusionsexperimenten oder auch im Universum zu
beobachten sind. Unser besonderes Interesse gilt Prozessen, die für die
Entwicklung der Fusion als zukünftige Energiequelle wichtige sind. Unsere
experimentellen Arbeiten führen wir hauptsächlich am Tokamak ASDEX Upgrade am
benachbarten MPI für Plasmaphysik durch, wir sind aber auch mit Experimenten an
anderen internationalen Großexperimenten , wie JET und zukünftig Iter,
beteiligt. Schwerpunkte der Forschungsind die nichtlineare Plasmadynamik, die zu
Instabilitäten, Turbulenz und turbulentem Transport führt, die numerische
Beschreibung von Transportvorgängen, sowie die Physik der
Plasmawandwechselwirkung. Für die experimentellen Untersuchungen verwenden wir
optische Plasmadiagnostiken und verschiedene elektrische Sonden, zur
Interpretation der Daten setzen wir eine Reihe führender numerischer Codes ein.
Untersuchungen von Modellsystemen an kleinerenLaborexperimenten runden die
Forschung ab.

Adresse/Kontakt

James-Franck-Str. 1
85748 Garching b. München
+49 89 289 12491
Fax: +49 89 289 14474

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Arbeitsgruppe

Professorinnen und Professoren

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

Lehrangebot der Arbeitsgruppe

Lehrveranstaltungen mit Beteiligung der Arbeitsgruppe

Ausgeschriebene Angebote für Abschlussarbeiten an der Arbeitsgruppe

A shallow water accretion disk experiment

Accretion disks are a ubiquitous phenomenon in astrophysics. One of the basic questions is how angular momentum is transported radially outward. One possible mechanism for angular momentum redistribution is the magneto-rotational instability. During this Master thesis an experiment will be designed and constructed making use of the analogy of shallow water equations and accretion of gas. By using a gravitational funnel as a boundary the gravitational force can be mimicked. Viscoelastic fluids can be considered as an analog to an electrically conducting fluid and the viscoelastic instability to an analogy to the magneto-rotational instability. Therefore experiments will be performed with water, but also with elastic polymer solutions, and angular momentum transport will be measured by velocimetry techniques. The experiments are also meant as a prototype for the design of a future liquid metal experiment.

Contact: Dr. Peter Manz

geeignet als
  • Bachelorarbeit Physik
  • Masterarbeit Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Masterarbeit Applied and Engineering Physics
Themensteller(in): Ulrich Stroth
Assessment of nitrogen enrichment in plasma discharges cooled by nitrogen gas puffing

In fusion devices with full metal plasma facing components, impurity seeding is necessary to mitigate the divertor heat loads. This will be especially important for plasma operations in ITER, where the majority of energy in the divertor will have to be dissipated by radiation. Among the tested impurities, best performance was achieved with nitrogen. Despite considerable efforts in modelling and analysis, the concentration of nitrogen in the divertor during nitrogen seeding is still lacking. Spectroscopy-based methods are hindered to provide absolute values of the nitrogen content in the divertor plasma, whereas neutral gas analysis (pressure measurements and mass spectroscopy) is hindered by the pressure gradients caused by magnetic confinement of the plasma.

However, recent research has shown that the nitrogen population in the plasma is closely related to the amount of discharge-produced ammonia. Since the dissociation of the nitrogen molecule is a pre-requisite for ammonia production, the ammonia formation can therefore serve as a quantifiable indicator of the nitrogen content in the divertor plasma. The analysis will be performed at the mid-size tokamak ASDEX Upgrade at IPP Garching. The nitrogen content in the divertor will be assessed in nitrogen seeded discharges, by analysing the amount of ammonia produced in plasma-surface interactions, and by analysing the pumping speed of nitrogen at different discharge conditions. The activities will be supported by regular calibrations of the mass spectrometry setup, and by analysis of gases released from the liquid nitrogen cryo panels after plasma operation.

The findings of the analysis will provide direct input to plasma models and thus contribute to the understanding of the dynamics of seeded plasmas, while the assessment of the nitrogen-to-ammonia conversion fraction will be of key importance to the predictions of ammonia formation in nitrogen seeded discharges for ITER.

Contact: Dr. Volker Rohde

geeignet als
  • Masterarbeit Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Masterarbeit Applied and Engineering Physics
Themensteller(in): Ulrich Stroth
Bestimmung des Wärmeflusses auf Wandkomponenten im Fusionsexperiment ASDEX Upgrade mittels thermographischer Methoden

Zukünftige Fusions-Experimente wie ITER werden große Plasma-Heizleistungen im Bereich 150 MW erzeugen. Diese Leistung wird auf eine vergleichsweise kleine Oberfläche des Divertors treffen, eine Komponente die für Leistungsaufnahme optimiert ist. Infrarot-Thermographie wird zur Bestimmung der Oberflächentemperatur und der damit verbundenen Wärmeflüsse auf den Divertor genutzt. Eine offene Frage hierbei ist, ob die vorher benannte Fläche mit der Heizleistung zu- oder abnimmt. Dies ist von großer Bedeutung, da z.B. ASDEX Upgrade mit deutlich geringeren Heizleistungen von ca. 15 MW operiert als zukünftige Fusionsreaktoren. Bisherige Studien konnten hierzu keine eindeutige Antwort liefern. Das Ziel der Arbeit ist es mittels dedizierter Experimente die Abhängigkeit der Wärmeflüsse von der Heizleistung möglichst präzise zu bestimmen.

Contact: Dr. Thomas Eich

geeignet als
  • Masterarbeit Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Masterarbeit Applied and Engineering Physics
Themensteller(in): Ulrich Stroth
Calculation of radiative power fluxes on the targets and first walls of fusion devices

The management of power exhaust in a nuclear fusion reactor is still an open issue. State-of-the-art numerical codes such as SOLPS help to design magnetic and machine configurations that efficiently dissipate the exhaust power leaving the core plasma which tends otherwise to be deposited on very narrow surface areas called targets. Large part of the dissipated plasma power is converted into radiation and spread on mechanical structures reducing the load on targets. Part of this radiative load is however deposited on the targets as well. Since in present day devices this component is often small compared to the plasma load its exact footprint on targets is not calculated routinely. In future lager devices, where most the exhaust power must be dissipated to cope with material limits, radiation loads may become dominant and must be calculated precisely on the targets too. This thesis consists on developing an efficient and precise method to calculate the radiative loads on targets and first wall structures, to integrate the algorithm into the SOLPS code and validate it against experimental data.

Contact: Dr. Andrea Scarabosio

geeignet als
  • Masterarbeit Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Masterarbeit Applied and Engineering Physics
Themensteller(in): Ulrich Stroth
Calculation of the ITER Diagnostic Pressure Gauge dynamic response

For practical reasons pressure measurements in complex vacuum system are often taken far away from the region we want to probe. The measurement time response depends thus not only on the intrinsic time resolution of the measuring device (gauges) but also on the gas flow pathways and flow regime connecting the measuring device and probed region. In the ITER fusion experiment these pathways are complex and must be optimised in order to achieve the required performance. Although simple methods exist in order to estimates the vacuum time constant for an arbitrary system, a time dependent analysis (dynamic) is needed to get more detailed information about the system time response and time resolution. The proposed work consists in analysing the complex ITER vacuum system, construct a simplified but realist dynamic model of the pathways (conductances) and solves the model either via analytical or numerical methods. The results will suggest optimal pathways and vacuum structure to improve performances of the ITER system.

Contact: Dr. Andrea Scarabosio

geeignet als
  • Bachelorarbeit Physik
Themensteller(in): Ulrich Stroth
Characterization of intermittent strong-amplitude turbulence bursts on the ASDEX Upgrade tokamak

The “I-mode” confinement regime of tokamak plasmas has the interesting property of a selective transport barrier which reduces turbulent energy transport but not the particle transport. Recently, highly intermittent large-amplitude density fluctuations have been observed with a microwave Doppler reflectometer. These fluctuations are connected to a large-scale plasma instability which might play a role in the absence of a particle transport barrier. The origin of this instability and the connected density bursts is still unknown. In a first step, the conditions under which they appear and how they depend on macroscopic quantities (heating power, magnetic field, plasma gradients) have to be investigated. The proposed work consists of a study of the parameter dependencies of the density turbulence bursts. Their amplitude, rate of occurrence and intermittency shall be characterized in dependence on the above quantities and compared to parameter dependencies of different non-linear terms from turbulence models. The results might help develop a better conception of how these structures are created and whether they are intrinsic to the I-mode confinement regime.

Contact: Dr. Tim Happel

geeignet als
  • Masterarbeit Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Masterarbeit Applied and Engineering Physics
Themensteller(in): Ulrich Stroth
Design of a plasma impurity spectrometer for Tokamak experiments

A key process in modern fusion devices is the sputtering of heavy first wall elements by light impurities. Therefore the flux of impurities onto the first wall is an important quantity to be measured, which could be done by a plasma impurity spectrometer (PIMS). This is an ExB spectrometer using the Tokamak magnetic field in combination with an applied electric field to quantitatively measure the flux of impinging ion species with a given mass/charge (q/m) ratio. The goal of this thesis is to perform a feasibility and design study for a PIMS that could be installed on a manipulator on the ASDEX Upgrade tokamak. The PIMS derives its mass separation from ExB trajectories which are perfectly focused independent on the initial velocity and direction of the particles as they enter the spectrometer. The thesis contains the following work items: Select the expected q/m ratios based on experiences from ASDEX Upgrade experiments and to develop a basic design of a PIMS including the required voltages which have to be compared to the Paschen Curve to check for possible arcing problems. The use of the Inventor CAD program in combination with a code for trajectory calculations is foreseen.

Contact: Dr. Klaus Schmid

geeignet als
  • Masterarbeit Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Masterarbeit Applied and Engineering Physics
Themensteller(in): Ulrich Stroth
Investigation of oscillating plasma flows in the ASDEX Upgrade tokamak using microwave radar techniques

Turbulence plays a key role in magnetically confined fusion plasmas where it is responsible for the major part of particle and energy transport perpendicular to the magnetic field. Turbulence can excite different types of large scale flows, which influence the level of transport. One type is the Geodesic Acoustic Mode (GAM), which can be understood as an eigenmode of the toroidal. The spatiotemporal structure and region of existence of these modes are important research topics. In the bachelor thesis the presence and structure of these low frequency oscillating flows will be studied in the ASDEX Upgrade tokamak plasma using microwave radar based diagnostics (called Doppler reflectometers) and signal analysis techniques.

Contact: Dr. Tim Happel

geeignet als
  • Bachelorarbeit Physik
Themensteller(in): Ulrich Stroth
Investigation of plasma zonal flows in the ASDEX Upgrade tokamak using microwave radar techniques

Turbulence plays a key role in magnetically confined fusion plasmas where it is responsible for the major part of particle and energy transport perpendicular to the magnetic field. Zonal flows are turbulence generated large scale plasma flows and play a major role in regulating the turbulent transport in a tokamak fusion device. The bachelor thesis will be to investigate the presence and dynamics of these low frequency oscillating flows in the ASDEX Upgrade tokamak plasma edge. The study will cover a range of plasma confinement conditions using microwave radar based diagnostics (called Doppler reflectometers) and signal analysis techniques.

Contact: Dr. Garrard Conway

geeignet als
  • Bachelorarbeit Physik
Themensteller(in): Ulrich Stroth
Measurement of phase relations between temperature and density fluctuations in ASDEX Upgrade using electron cyclotron emission and reflectometry

Electron temperature and density fluctuations play a critical role in determining the energy transport perpendicular to the confining magnetic field in a tokamak fusion device and their relative phases help determine the balance of particle and energy transport. This bachelor thesis will investigate the phase relationship of temperature and density fluctuations close to the plasma edge in a range of plasma confinement regimes using a combination of cutting edge diagnostics and advanced signal processing techniques.

Contact: Dr. Simon Freethy

geeignet als
  • Bachelorarbeit Physik
  • Masterarbeit Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Masterarbeit Applied and Engineering Physics
Themensteller(in): Ulrich Stroth
Molekulardynamische Simulation der Wolframanreicherung in Eisen-Wolfram-Modellsystemen

Ein wichtiges Untersuchungsgebiet bei Fusionsexperimenten ist die Wechselwirkung von Plasmateilchen mit der umgebenden Wand. Beim Beschuss von Oberflächen mit energiereichen Wasserstoffatomen kommt es zum Abtrag der Oberfläche (Zerstäubung). Diese Zerstäubung bestimmt u.a. die Lebensdauer der Wand. Die Zerstäubung ist ein massenabhängiger Effekt der bei Mischmaterialien (z.B. Stählen) zur Selbstpassivierung von Oberflächen führen kann. Er ist aber je nach Energie der Wasserstoffatome auf nur wenige Atomlagen beschränkt, was eine genaue experimentelle Untersuchung dieses Effektes erschwert und auch das zugrundeliegende Physikmodell von paarstoß-basierten Monte-Carlo-Codes an seine Grenzen bringt. Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist es daher mittels molekulardynamischer Simulationen (MD (LAMMPS-Code)) die Wechselwirkung von Wasserstoffatomen mit Eisen-Wolfram-Modellsystemen zu untersuchen. Hierfür bieten sich u.a. die Korrelation von Zerstäubungsausbeute und Konzentrationsprofilen an. Die Auswertung und der Vergleich von Simulationen unterschiedlicher Fe/W-Systeme erlauben dann Rückschlüsse auf das Anreicherungsverhalten von Wolfram an der Oberfläche. Voraussetzungen für die Arbeit sind Vertrautheit mit einer Programmiersprache (notwendig für die Erstellung von Auswerteskripten) und UNIX/LINUX-Kenntnisse. Contact: Dr. Udo v. Toussaint

geeignet als
  • Bachelorarbeit Physik
  • Masterarbeit Physik der kondensierten Materie
  • Masterarbeit Applied and Engineering Physics
Themensteller(in): Ulrich Stroth
Molekulardynamische Simulation zur Abhängigkeit der Zerstäubungsausbeute von Wolfram von der Kristallorientierung

Ein wichtiges Untersuchungsgebiet bei Fusionsexperimenten ist die Wechselwirkung der Plasmateilchen mit der umgebenden Wand, da diese Wechselwirkung wesentliche Experimentparameter bestimmt. Beim Beschuss von kristallinen Metalloberflächen mit Wasserstoffionen tritt je nach Kristallorientierung eine unterschiedliche Zerstäubung auf. Dieser Effekt kann z.B. zu einer Aufrauhung von polykristallinen Oberflächen führen – ist aber je nach Energie der Wasserstoffatome auf nur wenige Atomlagen beschränkt, was eine genaue experimentelle Untersuchung dieses Effektes erschwert und auch das zugrundeliegende Physikmodell von paarstoß-basierten Monte-Carlo-Codes seine Grenzen bringt. Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist es mittels molekulardynamischer Simulationen (MD (LAMMPS-Code)) die Wechselwirkung von Wasserstoffatomen mit Wolfram-Modellsystemen (Einkristallen) zu untersuchen. Hierfür bieten sich u.a. die Korrelation von Zerstäubungsausbeute und Reflektionswahrscheinlichkeit mit Kristallorientierung und Einfallswinkel an. Die Auswertung und der Vergleich von Simulationen mit unterschiedlichen Systemen erlauben dann Rückschlüsse auf das Erosionsverhalten von polykristallinem Wolfram. Voraussetzungen für die Arbeit sind Vertrautheit mit einer Programmiersprache (notwendig für die Erstellung von Auswerteskripten) und UNIX/LINUX-Kenntnisse. Contact: Dr. Udo v. Toussaint

geeignet als
  • Bachelorarbeit Physik
Themensteller(in): Ulrich Stroth

Abgeschlossene und laufende Abschlussarbeiten an der Arbeitsgruppe

Assessment of nitrogen enrichment in plasma discharges cooled by nitrogen gas puffing
Abschlussarbeit im Masterstudiengang Physics (Applied and Engineering Physics)
Themensteller(in): Ulrich Stroth

Kondensierte Materie

Wenn Atome sich zusammen tun, wird es interessant: Grundlagenforschung an Festkörperelementen, Nanostrukturen und neuen Materialien mit überraschenden Eigenschaften treffen auf innovative Anwendungen.