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Ausschreibender Bereich: IEK-4 - Plasmaphysik
Kennziffer: D065/2018, Physik, Mathematik

Masterarbeit: Modellierung von 3D-Effekten der Wasserstoffausgasung ionenbestrahlter Materialien

Die Wechselwirkung von ionisierten Teilchen und Plasma mit Festkörpermaterialien ist Grundlage vieler technologischer Prozesse bei sehr unterschiedlichen Anwendungsbereichen, insbesondere wenn gezielte Modifikationen der Materialmorphologie und -eigenschaften gewünscht sind. In einem Fusionsreaktor mit einem extrem heißen Plasma in Kontakt mit den umgebenden Materialwänden werden Plasma-Material-Wechselwirkungen sehr intensiv. Hierbei verursacht die Implantation von Wasserstoffisotop-Ionen (Deuterium-Tritium-Brennstoff) in Plasma-zugewandte Wände eine Verschlechterung der Materialeigenschaften. Zudem muss die Akkumulation von radioaktivem Tritium im Reaktor begrenzt und kontrolliert werden. Daher ist es notwendig, die grundlegenden Prozesse der Wasserstoffwechselwirkung mit Materialien zu verstehen.

Das Institut für Energie- und Klimaforschung – Plasmaphysik (IEK-4) am Forschungszentrum Jülich verfügt über eine einzigartige Expertise auf dem Gebiet der Plasma-Material-Wechselwirkungen in der Fusionsforschung. Eine Reihe von hochmodernen Anlagen und Laborexperimenten wird vom IEK-4 betrieben. Grundlegende und reaktorrelevante Plasma-Material-Wechselwirkungen werden untersucht, und die Modellierung ist ein wichtiges Werkzeug zur Interpretation der experimentellen Ergebnisse. Am IEK-4 führen wir Simulationen von Wasserstofftransport, Rückhaltung und Freisetzung in reaktorrelevanten Materialien durch. Die Dynamik der Konzentration von mobilen und eingefangenen Wasserstoff wird durch ein System von gekoppelten partiellen Differentialgleichungen (PDE) beschrieben, welches numerisch in das Softwarepaket von Wolfram Mathematica implementiert und durch dieses gelöst wird.

Die Rückhaltung und Freisetzung von Wasserstoff aus ionenbestrahlten Materialien wird oftmals in 1D modelliert. Dieser Ansatz vernachlässigt jedoch einige Aspekte des experimentellen Aufbaus wie z. B. eine ungleichmäßige Verteilung des Ionenflusses und der Temperatur über die Materialprobe. Die Modellierung von inhomogenen Materialien erweist sich als noch schwieriger. Die Finite-Elemente-Methode (FEM) der räumlichen Diskretisierung, die in Mathematica für inhomogene Rechendomänen verwendet wird, ist derzeit nicht in der Lage, nichtlineare Gleichungen zu lösen und kann somit nicht direkt auf das zu behandelnde Problem angewendet werden.

Die Aufgabe des Masterstudenten ist es, einen iterativen nichtlinearen PDE-Solver mit der intrinsischen Low-Level-FEM-Funktionalität in Mathematica zu programmieren und diesen zur Modellierung der Wasserstoffausgasung aus ionen- und plasmaexponierten Materialien unter Berücksichtigung von 3D-Effekten zu verwenden. Durch einen Vergleich der Modellierungsergebnisse mit experimentellen Daten zur Deuteriumausgasung aus Wolfram und Beryllium, gemessen in IEK-4 Experimenten, soll so ein besseres Verständnis der involvierten Prozesse erreicht werden. Der Kandidat / die Kandidatin sollte über gute Grundkenntnisse in Physik (Thermodynamik, Materialwissenschaften, Atom- und Molekülphysik) und Mathematik (PDE, numerische Methoden, FEM) verfügen. Grundlegende Kenntnisse von Mathematica wären von Vorteil, sind aber nicht Voraussetzung, wenn sie durch gute Programmierkenntnisse kompensiert werden.

Kontakt:
Dr. Dmitry Matveev
Institut für Institut für Energie- und Klimaforschung – Plasmaphysik (IEK-4)
Forschungszentrum Jülich
Telefon: + 49-2461-61-96625
E-Mail: d.matveev@fz-juelich.de
Internet: http://www.fz-juelich.de/fusion