Charakterisierung plasma-getriebener Permeation zur Entwicklung einer wasserstoffselektiven Vakuumpumpe = Characterization of plasma-driven permeation for the development of a hydrogen-selective vacuum pump

In thermonuklearen Fusionsreaktoren werden die beiden Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium unter Energiefreisetzung zur Kernfusion gebracht. Der Verwendung von Tritium stehen globale Knappheit, die Radioaktivität des Isotops und die Eignung für den Einsatz in Kernwaffen gegenüber, welche mit strengen Lizensierungsauflagen durch Regulatoren einhergeht. Um den Betrieb zukünftiger Fusionsreaktoren zu gewährleisten, wird das Konzept des „Direct Internal Recycling“ vorgeschlagen. Es basiert auf der Separation großer Mengen fusionsfähigen Brennstoffs bei niedrigen Drücken früh im Aufbereitsprozess des Abgasstroms. ... mehrDer Effekt der Superpermeation durch Metallfolien kann diese Anforderungen erfüllen. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines darauf beruhenden technischen Prozesses in der sogenannten Metallfolienpumpe.
Superpermeation kann mit einem kalten Plasma getrieben werden, welches Wasserstoffteilchen die nötige Energie zur Permeation durch dünne Metallfolien zuführt. Um die Operation einer Metallfolienpumpe quantifizieren zu können, wird in dieser Arbeit das Plasma mittels einer auf einem Fluidansatz beruhenden Plasmasimulation charakterisiert. Als Grundlage zur Verwendung der daraus abgeleiteten Daten dient eine experimentelle Validierung des Modells, die mittels optischer Emissionsspektroskopie mit einem Aktinometrie Ansatz erfolgt. Im Rahmen dieser wird die Konzentration atomaren Wasserstoffs in räumlicher Abhängigkeit im Plasma und unter Variation der Operationsparameter Druck und Leistung des Plasmas variiert. Um die Ergebnisse der Plasmasimulation in einer anknüpfenden Teilchentransportsimulation zu applizieren, wird ein Parameter extrahiert, welcher eine Anregungswahrscheinlichkeit für die Energetisierung eines Teilchens beim Auftreffen auf die Plasmaquelle darstellt. Die Teilchentransportsimulation basiert auf einem Monte Carlo Ansatz, in dem konkrete Oberflächeninteraktionen mit Wahrscheinlichkeiten beschrieben werden. Im experimentellen Teil der Arbeit werden parametrische Studien des Permeationsflusses durchgeführt, welche weitere Daten für die Vakuumsimulation liefern.
Drei verschiedene Konzepte zum Aufbau einer Metallfolienpumpe werden in der Vakuumsimulation unter Variation der wichtigsten Parameter miteinander verglichen, wobei besonderer Fokus auf den Leitwert, das Saugvermögen und die Separationseffizienz gelegt wird. Für das vielversprechendste Design werden weitere Rechnungen durchgeführt, welche die Zusammenhänge zwischen Sauggeschwindigkeit, Separationseffizienz und den Dimensionen der Pumpe evaluieren. Ein Konzept einer solchen neuartigen Pumpe, welches alle ausgearbeiteten Anforderungen erfüllt, wird empfohlen.

In thermonuclear fusion reactors, the two hydrogen isotopes deuterium and tritium are merged in an exothermic fusion reaction. The use of tritium comes with the isotopes’ global scarcity, radioactivity and its applicability for use in nuclear weapons, which is accompanied by strict licensing imposed by regulators. To ensure the operation of future fusion reactors, the concept of "Direct Internal Recycling" is proposed. It is based on the separation of large quantities of fusionable fuel at low pressures early in the exhaust recycling process. The effect of superpermeation through metal foils can fulfill these requirements. ... mehrThis work deals with the development of a superpermeation based technical process in the so-called metal foil pump.
Superpermeation can be driven by a cold plasma that provides hydrogen particles with the energy required to permeate through thin metal foils. As part of the quantification of the operation of a metal foil pump, the plasma is characterized by means of a plasma simulation based on a fluid approach. The model is experimentally validated using optical emission spectroscopy with an actinometry ansatz. A spatial resolution of the atomic hydrogen concentration with varying operational parameters of pressure and plasma power is given. A parameter, which represents an excitation probability for the energization of a particle when it hits the plasma source, is extracted from the results of the plasma simulation for application in a subsequent particle transport simulation. The latter is based on a Monte Carlo approach in which surface interactions are specified by probabilities. In the experimental part of this work, parametric studies of the permeation flux are carried out to provide further data for the particle transport simulation.
Three concepts for the design of a metal foil pump are compared with the particle transport simulation by varying the most important parameters, with a particular focus on the conductance, pumping speed and separation efficiency. For the most promising design, further calculations are carried out to evaluate the correlation of pumping speed, separation efficiency and the dimensions of the pump. A metal foil pump concept that meets all the requirements is recommended.