Reduced activation oxide dispersion strengthened (ODS) steels are candidate alloys for use in fusion reactor systems and are fabricated by mechanically alloying yttrium oxide to a reduced activation ferritic steel powder. The product is consolidated at high temperature by hot isostatic pressing (HIP), producing a dispersion of nanometre sized oxide particles throughout the ferritic microstructure. These particles have been shown to both improve the high temperature mechanical properties of the alloy and provide trapping sites for helium gas. The use of these particles to sequester helium is of particular significance in the development of a structural ODS steel for fusion reactor systems. A fusion power reactor, based on the ITER design, is expected to produce over 2000 appm transmutant helium in any steel components exposed to the core neutron flux. At these gas concentrations, conventional steels undergo severe swelling and embrittlement, motivating the development of materials capable of managing helium accumulation. This thesis investigates the use of the oxide particle dispersion in sequestering helium introduced by ion implantation. An initial characterisation of a model Fe-14Cr-0.25Y₂O₃ (wt%) system was completed using high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and atom probe tomography (APT). This demonstrated the efficacy of the production methods and the gas trapping capabilities of the oxide particles via argon gas, introduced during the mechanical alloying process. The subsequent consolidation of a full set of Fe-14Cr-3W-0.2Ti-0.25Y₂O₃ (wt%) ODS alloys at 1150°C, 1050 °C and 950 °C produced a systematic variation in the density of the particle dispersion. The characterisation of these materials using APT provided an insight into the consistent Y₂Ti₃O₅ particle chemistry found in each consolidation, and identified a stoichiometric shift from Y₂Ti₃O₅ to YTiO2 following short term annealing periods at 1000°C. Though further work is required, this shift is thought to be consistent with a thermodynamically mediated transition of the metastable clusters to stable oxide particles. Following implantation with 2000 appm helium and examination under TEM, the helium bubble and particle densities were found to be closely correlated thus providing evidence for an association between the particles and the gas bubbles. Controlling the helium bubble density via the particle dispersion demonstrates the potential use of processing temperature in controlling how helium accumulates in an implanted ODS microstructure. The effects of both bubble and particle densities on mechanical properties were investigated further using nanoindentation methods. Significant local variation in the hardness of the ODS steels was found to result from the bimodal grain size distribution of the material. By using only those measurements taken from large grained regions of the ODS, the grain refinement and particle hardening effects could be deconvolved and used to quantify particle hardening using a dispersed barrier model. The significant hardening effects with helium addition observed in the reference alloys were found to be almost entirely absent from the ODS systems, though anomalous softening in the 950°C consolidation indicated a potentially unexpected interaction between the bubble and particle populations. A possible explanation for this anomaly and a proposal for further work to establish its origin is discussed.

The radioactivity induced by neutrons in the materials of future fusion devices represents a central topic of safety- and environmental-related investigations. For the design and operation of future fusion devices, like the International Experimental Thermonuclear Reactor ITER or power plants like DEMO, the activation performance of the materials during operation and after shut-down has to be simulated. The European Activation System (EASY), consisting of the inventory code FISPACT and the activation library EAF, is the world wide reference system for these calculations. The activation of the fusion reactor materials, as well as the EASY system have to be tested experimentally. In the present work several samples of materials from the European fusion technology program were irradiated in neutron fields of DT neutron generators at TU Dresden and at Sergiev Posad near Moscow. The radioactivity following irradiation was determined several times during decay by ?×-spectroscopy. The results are analysed with EASY and ratios of the calculated-to-experimental activation (C/E) are determined, to find limits for the experimental validation of EASY. For the future improvement of EASY integral cross sections are obtained from these C/E and discussed in connection with the EAF data, energy differential measurements from the EXFOR System of the International Atomic Energy Agency (IAEA), other energy integral measurements and evaluated data from libraries in the JANIS system of the Nuclear Energy Agency (NEA). The investigated materials of the present work are Tungsten, Yttrium, CuCrZr and Lead. Tungsten is the preferred material for the divertor plates of fusion devices an a constituent of reduced activation structural materials. Yttrium is used in the ODS steels, which are candidate materials for the first wall and blanket structure of. The characteristic feature of ODS steels is to introduce Y2O3 oxide particles into structural materials like EUROFER to improve the high-temperature strength and to maintain superior radiation resistance. CuCrZr alloys are used as a heat sink in the first wall of the blanket and in the divertor. The CuCrZr alloys contain impurities in consequence of the production technology, which can have an influence on the activation performance and thus have to be known accurately. In this work the neutron activation analysis has proved to be an appropriate instrument to measure the amount of some special impurities. Lead acts as a neutron multiplier and coolant in breeding blanket concepts such as the European Test Blanket Modules (TBM) with liquid Pb-17Li. Due to some large discrepancies between the measured activities and those calculated with EASY for tungsten, these cross sections are analysed with recent models of the nuclear reaction mechanisms. The sensitivity of the obtained cross sections with respect to different reaction models and parameters is investigated and limits for new evaluations are obtained with respect to the experimental results. / Die von Neutronen induzierten Aktivitäten in den Materialien zukünftiger Fusionsreaktoren stellen einen zentralen Punkt in der Forschung zur Sicherheit und Umweltverträglichkeit der gesteuerten Kernfusion dar. Für die Konstruktion und den Betrieb von Fusionsreaktoren, wie den Internationalen Thermonuklearen Experimental-Reaktor ITER oder Demonstrationskraftwerke wie DEMO, werden Simulationsrechnungen zum Aktivierungsverhalten der Materialien während des Betriebs und nach Abschalten des Reaktor durchgeführt. Das European Activation System EASY, bestehend aus dem Inventarcode FISPACT und der Datenbibliothek EAF, ist dabei weltweit das Referenzinstrument für derartige Rechnungen. Sowohl das Programmpaket als auch das Aktivierungsverhalten der im Fusionsreaktor verwendeten Materialien müssen experimentell getestet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zu diesem Zweck Proben von Materialien aus dem europäischen Fusionstechnologieprogramm in Neutronenfeldern der DT-Neutronengeneratoren der TU Dresden, bzw. an SNEG-13 im russischen Sergiev Posad bestrahlt. Die entstehende Radioaktivität wurde im Anschluss an die Bestrahlung zu verschiedenen Abklingzeiten mittels Gammaspektroskopie bestimmt. Die gemessenen Aktivitäten individueller Nuklide werden mit EASY analysiert und die Verhältnisse von gemessener Aktivität zu berechneter (C/E) werden für die einzelnen Aktivitäten bestimmt. Damit werden die Grenzen für die experimentelle Bestätigung der EASY-Berechungen ermittelt. Zur zukünftigen Verbesserung von EASY werden aus den C/E experimentelle Eingruppenwirkungsquerschnitte ermittelt, die im Kontext der EAF-Daten, energiedifferentieller Messungen aus dem EXFOR System der International Atomic Energy Agency (IAEA), vorangegangener energieintegraler Experimente und eingeschätzter Bibliotheksdaten aus dem JANIS System der Nuclear Energy Agency (NEA) diskutiert werden. Bei den untersuchten Materialien handelt es sich um Wolfram, Yttrium, CuCrZr und Blei. Wolfram ist ein bevorzugtes Material für den Divertor des Fusionsreaktors und zudem Bestandteil gering aktivierbarer Strukturmaterialien. Yttrium wird als Zusatz in den so genannten ODS Stählen verwendet, die in der ersten Wand und im Blanket eingesetzt werden. Diese entstehen aus Strukturmaterialien wie dem europäischen EUROFER, die bereits früher auf ihr Aktivierungsverhalten untersucht wurden, durch Hinzufügen von Y2O3-Partikeln, wodurch sie bei höheren Temperaturen und Neutronenflüssen einsetzbar werden. CuCrZr wird als Wärmeleiter in der ersten Wand des Blankets und im Divertor eingesetzt. Als Legierung ist CuCrZr mit technologisch bedingten Verunreinigungen versetzt, die sich auf das Aktivierungsverhalten auswirken können und deshalb genau bekannt sein müssen. Die Neutronenaktivierung hat sich dabei im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls als geeignetes Mittel erwiesen. Blei agiert als Neutronenmultiplikator und Kühlmittel in Brutblanketkonzepten wie dem europäischen Test Blanket Module (TBM) das flüssiges Pb-17Li verwendet. Infolge der deutlichen Diskrepanzen zwischen der experimentellen und der mit EASY berechneten Aktivitäten bei Wolfram wird eine Analyse der Wirkungsquerschnitte mit Hilfe aktueller Modelle zum Mechanismus von Kernreaktionen vorgenommen. Dabei wird die Sensitivität der ermittelten Wirkungsquerschnitte auf verschiedene Reaktionsmodelle und Parameter getestet und ein Rahmen für Neueinschätzungen der Daten unter Berücksichtigung experimenteller Ergebnisse ermittelt.

二体衝突近似法を、粒子－物質相互作用に関する様々な現象に応用した。特に二体衝突近似法と動的モンテカルロ法の接続によるBCA-kMCハイブリッドシミュレーションにより、従来の二体衝突近似法と拡散方程式を合わせた手法が抱える問題を克服することで、材料内での不純物拡散挙動をより詳細に解析することに成功した。本論文は将来的な二体衝突近似法の幅広い分野への応用の足がかりになることが期待される。 / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre de l’allumage rapide pour la fusion par confinement inertiel (FCI), pour la production d’énergie. Dans ce schéma les phases de compression et d’allumage sont découplées. Au cours de la seconde phase, le faisceau d’électrons doit parcourir une distance de 300 µm dans le combustible dense avantde déposer son énergie au coeur de la cible et d’initier les réactions de fusion. Le principal défaut de ce schéma réside dans la divergence du faisceau d’électrons au cours de son transport dans la matière dense. Parmi plusieurs schémas proposés pour réduire cette divergence, nous considérons ici, les schémas sans cône basés sur la collimation des électrons dans un champ magnétique. En particulier, A.P.L. Robinson et ses collaborateurs [Phys. Rev. Lett. 100, 025002, 2008] ont proposé une méthode simple à mettre en place pour contrôler la divergence du faisceau d’électrons :utiliser une séquence de deux impulsions laser. La première impulsion permet de créer un environnement magnétique favorable au confinement du faisceau d’électrons engendré par la seconde interaction. La validation de cette proposition est le sujet de cette thèse. Nous présenterons les résultats expérimentaux et les modélisations théoriques motivées par cette proposition. L’expérience du guidage d’un faisceau d’électrons avec deux impulsions laser a été réalisée sur l’installation laser petawatt Vulcan au Rutherford Appleton Laboratory (RAL) à Didcot en Angleterre. Elle est basée sur la proposition d’un groupe international dans le cadre du projet FCI HiPER. Cette expérience nous a permis d’obtenir les conditions de guidage en fonction du rapport des intensités et du délai entre les deux impulsions. Les résultats de l’expérience ont été modélisés par le code hydrodynamique CHIC couplé au module de transport de particules chargées M1. L’interprétation des résultats expérimentaux nous a permis d’expliquer la base de la physique du guidage du faisceau d'électrons et d'en définir les conditions magnétiques favorables. / The work presented in this thesis is realised in the framework of the fast ignition of inertial confinement fusion for energy production. In this scheme the compression and the ignition phases are decoupled. During the second phase, the electron beam must cross over 300 µm in the dense fuel to deposit its energy in the dense core and ignite the fusion reactions.The major problem of the scheme is related to the divergence of the electron beam while it crosses the dense matter. Among the different propositions to inhibit the electron divergence we consider here the schemes without cone that are based on the effect of magnetic collimation. In particular, A.P.L. Robinson and his co-authors [Phys. Rev. Lett. 100, 025002, 2008] suggested a simple way to control the electron beam divergence by using a sequence of two laser pulses. The first one creates a magnetic background favourable for the confinement of the second electron beam resulting from the second interaction. The validation of this scheme is the major goal of this thesis.We present the results of experimental sudies and numerical modeling of the electron beam guiding with help of two consequent laser pulses. The experiment was performed on the Vulcan facility at the Rutherford Appleton Laboratory at Didcot in UK, based on the proposal submitted by an international group of scientists in the framework of the European project for inertial fusion energy HiPER. This experiment allowed us to define a combination of laser and target parameters where the electron beam guiding takes place. The analysis of experimental data and numerical modelling is realised with the hydrodynamic code CHIC coupled to the charged particules transport module M1. The interpretation of the experimental results allowed us to explain the experimental data and the physical basis of guiding and to define the magnetic conditionflavourable to the electron beam guidance.

La fusion nucléaire contrôlée par confinement magnétique avec les réacteurs de type Tokamaks et les applications spatiales ont en commun d’utiliser des composants Haute-Fréquence (HF) sous vide à forte puissance. Ces composants peuvent être sujets à l’effet multipactor qui augmente la densité électronique dans le vide au sein des systèmes, ce qui est susceptible d’induire une dégradation des performances des équipements et de détériorer les composants du système. Ces recherches consistent à améliorer la compréhension et la prédiction de ces phénomènes. Dans un premier temps nous avons réalisé une étude de sensibilité de l’effet multipactor au rendement d’émission électronique totale (noté TEEY). Cette étude a permis de montrer que l’effet multipactor est sensible à des variations d’énergies autour de la première énergie critique et dans la gamme d’énergies entre la première énergie critique et l’énergie du maximum. De plus, les composants HF utilisés dans les réacteurs Tokamak et dans le domaine du spatial peuvent être soumis à un champ magnétique continu. Nous avons donc développé un nouveau dispositif expérimental afin d’étudier ce phénomène. Le fonctionnement du dispositif et la méthode de mesure ont été analysées et optimisées à l’aide de modélisations numériques avec le logiciel PIC SPIS. Une fois que l’utilisation du dispositif a été optimisée et que le protocole de mesures a été validé, nous avons étudié l’influence d’un champ magnétique uniforme et continu sur le TEEY du cuivre. Nous avons démontré que le rendement d’émission électronique totale du cuivre est influencé par la présence d’un champ magnétique et par conséquent également l’effet multipactor. / Space communication payload as well as magnetic confinement fusion devices, among other applications, are affected by multipactor effect. This undesirable phenomenon can appear inside high frequency (HF) components under vacuum and lead to increase the electron density in the vacuum within the system. Multipactor effect can thus disturb the wave signal and trigger local temperature increases or breakdowns. This PhD research aims to improve our understanding and the prediction of the multipactor effect. The multipactor phenomenon is a resonant process which can appear above a certain RF power threshold. To determine this power threshold, experimental tests or/and simulations are commonly used. We have made a study to evaluate the multipactor power threshold sensitivity to the TEEY. Two particular critical parameters have been found: first cross-over energy and the energies between the first cross-over and the maximum energies. In some situations, the HF components are submitted to DC magnetic fields which might affect the electron emission properties and hence the multipactor power threshold. Current multipactor simulation codes don’t take into account the effect of the magnetic field on the TEEY. A new experimental setup specially designed to investigate this effect was developed during this work. Our new experimental setup and the associated TEEY measurement technique were analysed and optimized thanks to measurements and SPIS simulations. We used the setup to study the influence of magnetic field perpendicular to the sample surface on the TEEY of copper. We have demonstrated that the magnetic field affects the copper TEEY, and hence multipactor power threshold.

Das Institut für Kern- und Teilchenphysik (IKTP) der Technischen Universität Dresden (TUD) hat im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) ein Labor zur Untersuchung von neutroneninduzierten kernphysikalischen Prozessen in Materialien, die für die Fusionsforschung relevant sind, aufgebaut. Das Labor ist ausgestattet mit drei intensiven Neutronenquellen: einer 14 MeV-Neutronenquelle, einer weißen kontinuierlichen Photoneutronen-Quelle, die näher in dieser Arbeit beschrieben wird, und einer gepulsten Photoneutronen-Quelle, die vom FZD inKooperation mit der TUD aufgebaut wurde. Die kontinuierliche Photoneutronen-Quelle basiert auf einem Radiator aus Wolfram (engl. Tungsten Photoneutron Source (TPNS)). TPNS nutzt die im ELBE-Beschleuniger (Elektronen Linearbeschleuniger für Strahlen hoher Brillianz und niedriger Emittanz (ELBE)) beschleunigten Elektronen zur Neutronenerzeugung. Der Prozess läuft über Zwischenschritte ab, indem bei der Abbremsung der Elektronen im Radiator Bremsstrahlungsphotonen entstehen, die anschließend Neutronen durch (γ,xn)-Reaktionen erzeugen. Das Neutronenspektrum der TPNS kann mittels Moderatoren so modifiziert werden, dass es dem in der ersten Wand im Fusionsreaktor entspricht. Dies ermöglicht Untersuchungen mit einem für einen Fusionsreaktor typischen Neutronenspektrum. Die technische Verwirklichung des Projektes, die Inbetriebnahme der Anlage sowie die Durchführung der ersten Experimente zur Neutronenerzeugung ist Inhalt dieser Arbeit. Die Neutronenquelle ist insbesondere für qualitative Untersuchungen in der Fusionsneutronik bestimmt. Der Fusionsreaktor produziert, im Vergleich zu einem Spaltungsreaktor, keine langlebigen Isotope als Abfall. Die wesentliche Aktivität des Reaktors ist in Konstruktionsmaterialien akkumuliert. Durch sorgfältige Auswahl der Materialien kann man die Aktivierung minimieren und damit künftig wesentlich weniger radioaktives Inventar produzieren als in Spaltreaktoren. Ziel der kernphysikalischen Untersuchungen ist, solche Materialien für den Aufbau eines Fusionsreaktors zu erforschen, die niedrigaktivierbar sind, das heißt wenig Aktivität akkumulieren können, und eine Halbwertzeit von einigen Jahren haben. Es ist das Ziel, alle Konstruktionsmaterialien nach 100 Jahren wiederverwenden zu können. Die Neutronenflussdichte einer Photoneutronenquelle ist einige Größenordnungen höher als die, die mittels eines DT-Neutronengenerators mit anschließender Moderation erreicht werden kann. Die gesamte Arbeit ist in drei Teile geteilt. Der erste Teil leitet in die Problematik der Energieversorgung ein und zeigt die Kernfusion als eine vielversprechende Energiequelle der naher Zukunft auf. Das Neutronenlabor der TUD, in dem die TPNS aufgebaut ist, wird ebenfalls kurz vorgestellt. Der zweite Teil befasst sich mit der TPNS selbst, mit ihrem physikalischen Entwurf, der Konstruktion und dem Aufbau bis zu der Inbetriebnahme sowie dem ersten Experiment an der TPNS. Der letzte, dritte Teil ist die Zusammenfassung der vorhandenen Ergebnisse und gibt einen Ausblick auf die zukünftige Vorhaben. / The Institute for Nuclear and Particle Physics at the Technische Universität Dresden (TUD) has build a neutron physics laboratory at Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) to investigate nuclear processes in materials. The experiments are focused on materials relevant to nuclear fusion. The laboratory is equipped with three intensive neutron sources. The first is a 14 MeV monochromatic neutron source based on the DT reaction (owned by TUD); the other two are continuous and pulsed white photoneutron sources based on (γ,xn) reactions. One pulsed photoneutron source is realized by FZD in cooperation with the TUD. The continuous photoneutron source utilises a tungsten radiator (Tungsten Photoneutron Source) to produce neutrons with a wide energy spectra. The TPNS uses the ELBE-accelerator as a source of electrons for neutron production. This process involves an intermediate step, where slowed down electrons produce bremsstrahlung (γ -rays) absorbed by tungsten nuclei. Consecutively, the excited nuclei emit neutrons. The neutron flux of the photoneutron source is five orders of magnitude higher than the flux of the DT neutron sources with appropriate moderation. The neutron spectrum of TPNS can be modified by moderators, in such a way that the spectrum is comparable to that in the first wall of a Tokamak-Reactor. That allows investigations with the typical neutron spectrum of the fusion reactor. The technical solution, initial operation and the first experiment are described in this work. The neutron source is, in particular, dedicated to quantitative investigations in fusion neutronics. A fusion reactor produces radioactive isotopes as a nuclear waste. The main activity is accumulated in the structural materials. Carefully selected structural materials can significantly minimize the activity and thereby the amount of nuclear waste. The purpose of this project is to find constructional materials with half-lives shorter than several years, which can be recycled after about 100 years. The work is divided into three parts. The first part is dedicated to the energy supply problem and nuclear fusion is addressed as a promising solution of the near future. The neutron laboratory housing the TPNS is also briefly described. The second part deals with the tungsten photoneutron source, the design, construction, operation and the first experiments for neutron production. The third part summarises results and presents an outlook for future experiments with the TPNS.

Submitted by Larissa Vitoria Cardoso Cusielo (larissavitoria@id.uff.br) on 2018-01-18T17:38:33Z No. of bitstreams: 6 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertação Rafael da Costa Ferreira - FINAL -23-05-2017.pdf: 3432706 bytes, checksum: a6000fb8860f7569a29c566fd61a2092 (MD5) Instruções para ler os e-books - Versão Final.pdf: 1360179 bytes, checksum: c5c1399510dc5ccc74eaf3b8fb1a23fb (MD5) Texto com vídeos e animacoes - O nascimento do sistema solar - Versão Aluno.epub: 36975766 bytes, checksum: 2ab2ac6d60e2f7a2a3060773da37e4ed (MD5) Texto com vídeos e animacoes - O nascimento do sistema solar - Versão Professor.epub: 37282915 bytes, checksum: 8f2f8f9ff9664640b09505430e2de6e1 (MD5) Texto Estático - O nascimento do sistema solar.epub: 591589 bytes, checksum: 7ee6e9828b1ba5ed29a28d20bde48474 (MD5) / Approved for entry into archive by Biblioteca do Aterrado BAVR (bavr@ndc.uff.br) on 2018-01-24T17:44:31Z (GMT) No. of bitstreams: 6 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertação Rafael da Costa Ferreira - FINAL -23-05-2017.pdf: 3432706 bytes, checksum: a6000fb8860f7569a29c566fd61a2092 (MD5) Instruções para ler os e-books - Versão Final.pdf: 1360179 bytes, checksum: c5c1399510dc5ccc74eaf3b8fb1a23fb (MD5) Texto com vídeos e animacoes - O nascimento do sistema solar - Versão Aluno.epub: 36975766 bytes, checksum: 2ab2ac6d60e2f7a2a3060773da37e4ed (MD5) Texto com vídeos e animacoes - O nascimento do sistema solar - Versão Professor.epub: 37282915 bytes, checksum: 8f2f8f9ff9664640b09505430e2de6e1 (MD5) Texto Estático - O nascimento do sistema solar.epub: 591589 bytes, checksum: 7ee6e9828b1ba5ed29a28d20bde48474 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-24T17:44:31Z (GMT). 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Pesquisar os efeitos de tais formatos de texto justifica-se pelo fato de as mídias digitais estarem presentes no cotidiano dos jovens, que são o público alvo do estudo. Pesquisar formas alternativas de mídias educacionais pode representar avanços no processo de ensino e aprendizagem ao tornar mais evidentes quais as melhores formas de utilização desses. Para tanto foi produzido um texto sobre a formação do sistema solar e a energia de fusão nuclear do Sol, em formato EPUB3, o que possibilita qualquer pessoa o acessar nas principais plataformas digitais, com o auxílio de um leitor de ebooks. O mesmo material foi utilizado em dois momentos diferentes com os alunos: no primeiro, usamos um texto em formato tradicional, com imagens estáticas. No segundo momento, o mesmo texto escrito foi apresentado aos alunos, mas desta vez com vídeos substituindo algumas das imagens estáticas do primeiro, contendo animações referentes às imagens estáticas que substituíram. Antes e após a aplicação dos dois materiais, foi aplicado um questionário com perguntas referentes ao texto e aos vídeos. A análise dos questionários e opinião dos alunos participantes mostra uma melhora na aprendizagem e desempenho nos testes e sugere que vídeos em materiais digitais têm forte potencial para facilitar o aprendizado de conceitos físicos bastante abstratos e normalmente distantes do cotidiano dos alunos. / The main goal of this dissertation is to evaluate the effect of digital instructional materials with integrated text and videos, applying therefore an Information and Communication Technology (ICT) in a High School environment. Probing the effects of such materials is justified in that digital media are ubiquitous in young learners’ lives, the target group of our study. Alternative educational media can lead to advances in the teaching and learning processes if the best strategies for their application is made evident. With that aim, we have produced a digital instructional material about the formation of the solar system and nuclear fusion energy in the Sun in EPUB3 format, which makes it readily accesible in the most important operating systems with the aid of an e-book reader. The same material was used in two different instances: in the first one, we used the text in its most traditional format, consisting only of written text and static images. In the second instance, we handed students the same written text, but with videos replacing some of the static images. The videos contained animations which intended to illustrate the same concepts covered in the static images they replaced. Before and after the application of the two materials, students answered a questionnaire about the written material and about the videos. The analysis of the answers to the questionnaire shows a significant improvement in the understanding of the concepts especially after the study of the materials with the videos, which suggests that videos in digital media can potentially enhance the learning of rather abstract physical concepts which are not usually present in the students’ everyday lives.

Das Institut für Kern- und Teilchenphysik (IKTP) der Technischen Universität Dresden (TUD) hat im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) ein Labor zur Untersuchung von neutroneninduzierten kernphysikalischen Prozessen in Materialien, die für die Fusionsforschung relevant sind, aufgebaut. Das Labor ist ausgestattet mit drei intensiven Neutronenquellen: einer 14 MeV-Neutronenquelle, einer weißen kontinuierlichen Photoneutronen-Quelle, die näher in dieser Arbeit beschrieben wird, und einer gepulsten Photoneutronen-Quelle, die vom FZD inKooperation mit der TUD aufgebaut wurde. Die kontinuierliche Photoneutronen-Quelle basiert auf einem Radiator aus Wolfram (engl. Tungsten Photoneutron Source (TPNS)). TPNS nutzt die im ELBE-Beschleuniger (Elektronen Linearbeschleuniger für Strahlen hoher Brillianz und niedriger Emittanz (ELBE)) beschleunigten Elektronen zur Neutronenerzeugung. Der Prozess läuft über Zwischenschritte ab, indem bei der Abbremsung der Elektronen im Radiator Bremsstrahlungsphotonen entstehen, die anschließend Neutronen durch (γ,xn)-Reaktionen erzeugen. Das Neutronenspektrum der TPNS kann mittels Moderatoren so modifiziert werden, dass es dem in der ersten Wand im Fusionsreaktor entspricht. Dies ermöglicht Untersuchungen mit einem für einen Fusionsreaktor typischen Neutronenspektrum. Die technische Verwirklichung des Projektes, die Inbetriebnahme der Anlage sowie die Durchführung der ersten Experimente zur Neutronenerzeugung ist Inhalt dieser Arbeit. Die Neutronenquelle ist insbesondere für qualitative Untersuchungen in der Fusionsneutronik bestimmt. Der Fusionsreaktor produziert, im Vergleich zu einem Spaltungsreaktor, keine langlebigen Isotope als Abfall. Die wesentliche Aktivität des Reaktors ist in Konstruktionsmaterialien akkumuliert. Durch sorgfältige Auswahl der Materialien kann man die Aktivierung minimieren und damit künftig wesentlich weniger radioaktives Inventar produzieren als in Spaltreaktoren. Ziel der kernphysikalischen Untersuchungen ist, solche Materialien für den Aufbau eines Fusionsreaktors zu erforschen, die niedrigaktivierbar sind, das heißt wenig Aktivität akkumulieren können, und eine Halbwertzeit von einigen Jahren haben. Es ist das Ziel, alle Konstruktionsmaterialien nach 100 Jahren wiederverwenden zu können. Die Neutronenflussdichte einer Photoneutronenquelle ist einige Größenordnungen höher als die, die mittels eines DT-Neutronengenerators mit anschließender Moderation erreicht werden kann. Die gesamte Arbeit ist in drei Teile geteilt. Der erste Teil leitet in die Problematik der Energieversorgung ein und zeigt die Kernfusion als eine vielversprechende Energiequelle der naher Zukunft auf. Das Neutronenlabor der TUD, in dem die TPNS aufgebaut ist, wird ebenfalls kurz vorgestellt. Der zweite Teil befasst sich mit der TPNS selbst, mit ihrem physikalischen Entwurf, der Konstruktion und dem Aufbau bis zu der Inbetriebnahme sowie dem ersten Experiment an der TPNS. Der letzte, dritte Teil ist die Zusammenfassung der vorhandenen Ergebnisse und gibt einen Ausblick auf die zukünftige Vorhaben. / The Institute for Nuclear and Particle Physics at the Technische Universität Dresden (TUD) has build a neutron physics laboratory at Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) to investigate nuclear processes in materials. The experiments are focused on materials relevant to nuclear fusion. The laboratory is equipped with three intensive neutron sources. The first is a 14 MeV monochromatic neutron source based on the DT reaction (owned by TUD); the other two are continuous and pulsed white photoneutron sources based on (γ,xn) reactions. One pulsed photoneutron source is realized by FZD in cooperation with the TUD. The continuous photoneutron source utilises a tungsten radiator (Tungsten Photoneutron Source) to produce neutrons with a wide energy spectra. The TPNS uses the ELBE-accelerator as a source of electrons for neutron production. This process involves an intermediate step, where slowed down electrons produce bremsstrahlung (γ -rays) absorbed by tungsten nuclei. Consecutively, the excited nuclei emit neutrons. The neutron flux of the photoneutron source is five orders of magnitude higher than the flux of the DT neutron sources with appropriate moderation. The neutron spectrum of TPNS can be modified by moderators, in such a way that the spectrum is comparable to that in the first wall of a Tokamak-Reactor. That allows investigations with the typical neutron spectrum of the fusion reactor. The technical solution, initial operation and the first experiment are described in this work. The neutron source is, in particular, dedicated to quantitative investigations in fusion neutronics. A fusion reactor produces radioactive isotopes as a nuclear waste. The main activity is accumulated in the structural materials. Carefully selected structural materials can significantly minimize the activity and thereby the amount of nuclear waste. The purpose of this project is to find constructional materials with half-lives shorter than several years, which can be recycled after about 100 years. The work is divided into three parts. The first part is dedicated to the energy supply problem and nuclear fusion is addressed as a promising solution of the near future. The neutron laboratory housing the TPNS is also briefly described. The second part deals with the tungsten photoneutron source, the design, construction, operation and the first experiments for neutron production. The third part summarises results and presents an outlook for future experiments with the TPNS.

Next-generation and present fusion devices such as the Joint European Torus (JET) aim for plasma operations in H-mode, a plasma regime with high confinement and low loss of energy and fuel that results from a barrier for heat and particle transport at the plasma edge, the pedestal. Due to steep gradients of the density, temperature and pressure profiles, the pedestal experiences instabilities called Edge-localized-modes (ELMs) which lead to large fluxes of heat and particles that might damage machine components. A theoretical value for the critical threshold for the pressure gradient is determined by the Peeling-Ballooning (PB) model. Although this model has been rather reliable, experiments have shown a discrepancy between the experimental pedestal pressure gradient and the critical pressure gradient determined by the model. A number of experimental gradients were significantly lower than the predicted gradients. The mechanisms responsible for this discrepancy are not fully understood yet. The present hypothesis identifies the relative shift between the positions of the temperature and density pedestals and neutral pressure as key parameters, related to input power and gas dosing among other engineering parameters. Further impact could arise from the assumption of equal ion and electron temperature and the neglecting of the plasma rotation (velocity). In order to investigate this issue more thoroughly, JET established a comprehensive database containing pedestal characteristics. As a part of this work, a software has been implemented to visualize the data since such a tool did not exist yet. The tool enables the plotting of pedestal related parameters while specific data subsets can be selected or neglected. The tool has been used to investigate the impact of ion temperature and plasma rotation on the discrepancy between the theoretical and experimental critical gradients. Hereby, many relevant parameters needed to be constrained to observe an isolated impact of ion temperature and plasma rotation. The results of this investigation support the hypothesis that mainly the relative shift affects the discrepancy between experimental and predicted pressure gradient, but that also the use of experimental ion temperature can contribute to reduce the discrepancy. / Nästa generations och nuvarande fusionsanordningar, såsom Joint European Torus (JET), syftar till plasmaoperationer i H-läge, en plasmaregim med hög inneslutning och låg förlust av energi och bränsle som är ett resultat av en barriär för värme­ och partikeltransport vid plasmakanten, piedestalen. På grund av branta gradienter i densitets-, temperatur- och tryckprofilerna, är piedestalen instabil. Instabiliteten kallas Edge-Localised-Mode (ELM) och leder till stora flöden av värme och partiklar som kan skada maskinkomponenter. En kritisk tröskel för tryckgradienten bestäms av modellen Peeling-Ballooning (PB). Även om denna modell har varit ganska tillförlitlig, har experiment visat en diskrepans mellan den experimentella piedestaltryckgradienten och den kritiska tryckgradienten som bestäms av modellen. Ett antal experimentellt uppmätta kritiska gradienter är signifikant lägre än de förväntade enligt modellen. De mekanismer som ligger bakom denna diskrepans är ännu inte helt klarlagda. Den nuvarande hypotesen identifierar skillander i pos positionen av temperature- och täthetspiedestalen, samt trycket från neutraler som nyckelparametrar, relaterade till inmatad effekt och gasdosering bland andra ingenjörparametrar. Ytterligare påverkan kan uppstå genom antagandet att joner och elektroner har samma temperatur och försummandet av plasmarotationen. För att undersöka denna fråga mer ingående upprättade JET en omfattande databas med piedestalegenskaper. Som en del av detta arbete har en programvara implementerats för att visualisera data eftersom ett sådant verktyg inte funnits tidigare. Verktyget möjliggör plottning av piedestalrelaterade parametrar medan specifika data delmängder kan väljas eller väljas bort. Verktyget har använts för att undersöka inverkan av jontemperatur och plasmarotation på diskrepansen mellan teoretiska och experimentell kritiska tryckgradienten. För denna analys behövde många relevanta parametrar begränsas för att observera en isolerad påverkan av jontemperatur och plasmarotationen. Resultaten av denna undersökning stödjer hypotesen att det relativa skiftet främst påverkar diskrepansen mellan experimentell och förutsedd tryckgradient men att även användning av experimentell jontemperatur kan bidra till att minska diskrepansen.