In the present work, the tolerable impurity level and composition for a reactor plasma using several sets of model assumptions are evaluated. Special care was taken to evaluate a comprehensive and consistent set of atomic data for 35 different elements, such that the impurity level for various elements may be studied as a function of their nuclear charge. The data set may not only be useful for the presented work or for system codes which design fusion reactors, but also for interpretation of bolometric measurements. Additionally, the predictions of the spectral distribution of the radiated power is of high quality such that soft x-ray broadband measurements may be interpreted.In the present work the data is used for predicting the radiated power in a reactor plasma, using a 0D, several variants of a 0.5D model and a realistic 1D ASTRA modelling of a DEMO plasma, i.e. the EU DEMO1 2015 design. The maximal or appropriate impurity content of a reactor plasma for all models can be determined, such that the predictions from a simplistic 0D model can be compared to less simplistic models and a proper reactor simulation. These comparisons suggest that with the simplistic models the impurity content may be estimated within a factor of about 1.5, independent of the realization of the reactor plasma. At the same time this study underlines the sensitivity of the reactor performance on the impurity mixture and especially of the He content of the plasma. Additionally, an extended 0.5D model is presented which is able to predict variations of the fusion yield Q and the He concentration, when both is known for a reference scenario. These predictions prove to be of high accuracy when compared to the 1D ASTRA modelling and thus, allow the net impact of an increased dilution and a simlutaneous temperature rise at constant plasma pressure to be evaluated. Furthermore, the parameter space is scanned with more than 105 model reactor plasmas demonstrating that the use of a low-Z impurity diminishes the possibility of an economical feasible reactor plasma. The main results of the parameter scan are made available via scaling formulae.
本論文では、複数のモデル仮定を用いた炉心プラズマにおける許容不純物レベルと組成を評価した。35種類の異なる元素について、包括的かつ一貫性のある原子データセットを評価することに特に注意を払い、様々な元素の不純物レベルをその核電荷の関数として研究できるようにした。このデータセットは、本論文の研究や核融合炉を設計するシステムコードだけでなく、ボロメトリ測定の解釈にも有用である。さらに、放射パワーのスペクトル分布の予測精度が高いため、軟X線広帯域測定の解釈が可能となる。本論文では、このデータを用いて、0Dモデル、複数の0.5Dモデル、および現実的な1D ASTRAモデル（EU DEMO1 2015設計）を用いて炉心プラズマの放射パワーを予測した。全てのモデルについて、炉心プラズマの最大許容不純物含有量を決定し、単純な0Dモデルによる予測を、より複雑なモデルや本格的な炉シミュレーションと比較できるようにした。これらの比較により、単純なモデルを用いても、炉心プラズマの実現方法に依存せず、不純物含有量を約1.5倍の精度で推定可能であることが示唆された。同時に、本研究は、炉性能に対する不純物混合比、特にHe含有量の感度を明らかにした。さらに、基準シナリオの核融合出力QとHe濃度が既知であれば、それらの変動を予測できる拡張0.5Dモデルを提示した。このモデルによる予測は、1D ASTRAモデリングと比較して高い精度を示し、これにより、一定プラズマ圧力下での希釈増加と同時的な温度上昇の正味の影響を評価することが可能となった。さらに、105を超えるモデル炉心プラズマを用いてパラメータ空間を走査し、低Z不純物の使用が経済的に実現可能な炉心プラズマの可能性を減少させることを実証した。パラメータ走査の主な結果は、スケーリング式として提供される。