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Schneider, Philip Adrian (2012): Characterization and scaling of the tokamak edge transport barrier. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Das Regime mit hohem Einschluss (H-Mode) in einem Tokamak Plasma zeichnet sich durch eine besondere Randregion aus. Auf einem kleinen räumlichen Bereich von 1-2 cm ändern sich die Eigenschaften des Plasmas signifikant. In dieser Region, auch Pedestal genannt, variieren einige Parameter um 1-2 Größenordnungen. Bisher sind die Entstehung dieses Pedestals und seine Stabilität nur unvollständig verstanden. Daher ist es ein Ziel dieser Dissertation, zu dem Verständnis des Pedestals beizutragen und Skalierungen für größere Maschinen, wie ITER oder DEMO, zu entwickeln. Mit Messungen von verschiedenen Tokamaks - ASDEX Upgrade, DIII-D, JET - wurde eine Pedestal-Datenbank aufgebaut. Das Pedestal wurde für alle Maschinen mit derselben Methode charakterisiert. Dadurch erhält man den maximalen Wert im Pedestal, seine Breite und seine Steigung, jeweils für die Elektronendichte ne, Elektronentemperatur Te und Ionentemperatur Ti. Diese Größen und Ableitungen davon, wie Druck oder Einschlusszeit, wurden analysiert. Für diesen Zweck wurden zwei verschiedene Sets von Parametern verwendet: normierte Größen (Druck beta, Zeit nu*, Länge rho*, Form fq und technische Größen (Ausdehnung a, magnetisches Feld Bt, Plasma Strom Ip, Heizleistung P). Alle Ergebnisse werden durch die Wahl des Koordinatensystems beeinflusst: normierter poloidaler Fluss PsiN oder Ortsraum r/a. Bei beiden Parametersets wurde beobachtet, dass die Pedestalbreiten in Elektronentemperatur und Elektronendichte unterschiedlich skalieren. Für ITER oder DEMO würde diese Skalierung bedeuten, dass das Temperaturpedestal deutlich breiter ist als das Dichtepedestal. Der Druck am Pedestal zeigt verschiedene Abhängigkeiten für Elektronen und Ionen. Die Extrapolationen zu ITER und DEMO geben ein Te,ped von 4 keV bzw. 10 keV, allerdings ergeben sich deutlich niedrigere Werte für die Ionentemperatur. Eine zwei-Phasen Analyse der Energieeinschlusszeit tauE wurde angewandt, um den Beitrag des Pedestals zur gesamten Einschlusszeit abzuschätzen. Die Abhängigkeiten, die sich aus der Skalierung für tauE,ped ergeben, sind nahezu identisch mit denen der IPB98 Skalierung. Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass durch das Pedestal ein signifikanter Beitrag zum gesamten Einschluss geleistet wird. Die Extrapolationen zu ITER zeigen eine Einschlusszeit von 3 s, was sich am unteren Rand der IPB98 Skalierung befindet. Die Pedestalgradienten im Ortsraum zeigen eine deutliche Korrelation mit den Werten am oberen Rand des Pedestals. Besonders ausgeprägt ist diese Abhängigkeit für die Elektronentemperatur, hier wurde zudem keine Abhängigkeit mit einem anderen Parameter beobachtet. Die Gradienten in PsiN zeigen keine vergleichbare Korrelation. Der normierte Druckgradient alpha, der für die Stabilität des Pedestals wichtig ist, ist korreliert mit dem normierten Druck und der Plasmaform. Auch andere Beobachtungen lassen auf eine wichtige Rolle der Plasmaform schließen, was einen starken Einfluss auf Extrapolationen haben kann. Die vorliegende Studie bestätigt, dass die Randtransport Barriere nicht durch eine einzelne Theorie beschrieben werden kann. Die Höhe des Pedestals in der Elektronen- und Ionentemperatur sowie der Dichte kann separat durch entsprechenden Transport limitiert sein, während sie zusammen durch eine Stabilitätsgrenze limitiert sind. Gleichzeitig skaliert die radiale Ausdehnung der Temperatur und der Dichte verschieden.