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Bernert, Matthias (2013): Analysis of the H-mode density limit in the ASDEX Upgrade tokamak using bolometry. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

The high confinement mode (H-mode) is the operational scenario foreseen for ITER, DEMO and future fusion power plants. At high densities, which are favourable in order to maximize the fusion power, a back transition from the H-mode to the low confinement mode (L-mode) is observed. This H-mode density limit (HDL) occurs at densities on the order of, but below, the Greenwald density. In this thesis, the HDL is revisited in the fully tungsten walled ASDEX Upgrade tokamak (AUG). In AUG discharges, four distinct operational phases were identified in the approach towards the HDL. First, there is a stable H-mode, where the plasma density increases at steady confinement, followed by a degrading H-mode, where the core electron density is fixed and the confinement, expressed as the energy confinement time, reduces. In the third phase, the breakdown of the H-mode and transition to the L-mode, the overall electron density is fixed and the confinement decreases further, leading, finally, to an L-mode, where the density increases again at a steady confinement at typical L-mode values until the disruptive Greenwald limit is reached. These four phases are reproducible, quasi-stable plasma regimes and provide a framework in which the HDL can be further analysed. Radiation losses and several other mechanisms, that were proposed as explanations for the HDL, are ruled out for the current set of AUG experiments with tungsten walls. In addition, a threshold of the radial electric field or of the power flux into the divertor appears to be responsible for the final transition back to L-mode, however, it does not determine the onset of the HDL. The observation of the four phases is explained by the combination of two mechanisms: a fueling limit due to an outward shift of the ionization profile and an additional energy loss channel, which decreases the confinement. The latter is most likely created by an increased radial convective transport at the edge of the plasma. It is shown that the four phases occur due to a coupling of these two mechanisms. These observations are in line with studies made at AUG with carbon walls, although in those discharges the energy loss was most likely caused by the full detachment of the divertor. The density of the HDL depends only weakly on the plasma current, unlike the Greenwald limit, and can be increased by high heating power, again unlike the Greenwald limit. The triangularity of the plasma has no influence on the density of the HDL, though improves the performance of the plasma, since the onset of the degrading H-mode phase occurs at higher densities. It is explicitly shown that the HDL and also the L-mode density limit are determined by edge parameters. Using pellet fueling, centrally elevated density profiles above the Greenwald limit can be achieved in stable H-modes at a moderate confinement. Future tokamaks will have intrinsic density peaking. Consequently, they will most likely operate in H-modes above the Greenwald limit.

Abstract

Für den Betrieb von zukünftigen Fusionsexperimenten, wie ITER und DEMO, ist das H-Mode-Operationsregime vorgesehen, das sich gegenüber dem L-Mode-Regime durch einen verbesserten Energieeinschluss auszeichnet. Dabei werden hohe Dichten angestrebt um die Fusionsleistung zu maximieren. Bei zu hohen Dichten findet jedoch ein Übergang in das L-Mode-Regime statt. Dieses H-Mode-Dichtelimit (HDL) tritt in der Nähe des Greenwald Limits (GWL) auf, welches eine obere Dichtegrenze für den Betrieb von Tokamaks darstellt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde das H-Mode-Dichtelimit am Tokamak ASDEX Upgrade (AUG) im Betrieb mit einer Wolframwand experimentell untersucht. Verschiedene existierende Erklärungsansätze für das Auftreten des HDL, wie zum Beispiel der Einfluss von Strahlungsverlusten, wurden für die durchgeführten Experimente ausgeschlossen. Eine systematische Untersuchung zeigt, dass das HDL durch vier verschiedene, reproduzierbare und quasi-stabile Plasmazustände, die mit ansteigender Plasmadichte aufeinander folgen, charakterisiert wird. Die erste Phase ist eine stabile H-Mode, bei der die Dichte bei konstantem Druck ansteigt. Darauf folgt ein degradierendes H-Mode-Regime, bei dem die zentrale Dichte konstant ist und der Energieeinschluss verschlechtert wird. Die dritten Phase ist der Zusammenbruch des H-Mode-Regimes und somit das eigentliche HDL. Dabei wird der erhöhte H-Mode-Temperaturgradient am Rand abgebaut. In dieser Phase bleibt das gesamte Dichteprofil jedoch konstant. Mit der vierten Phase hat das Plasma das L-Mode-Regime erreicht, bei dem die Dichte bei einem konstanten, niedrigen Energieeinschluss wieder ansteigt. Grenzwerte des radialen elektrischen Feldes und die Leistungsschwelle der H-Mode erklären potentiell den Übergang in die L-Mode, können aber für das Einsetzen des HDL ausgeschlossen werden. Die vier Phasen werden durch eine Kombination von zwei Effekten erklärt: ein Absinken der Ionisationsrate im eingeschlossenen Plasma und ein zusätzlicher, bei hohen Dichten auftretender Energieverlustkanal. Diverse Beobachtungen deuten darauf hin, dass der Verlustkanal durch einen erhöhten konvektiven Transport am Rand des Plasmas entsteht. In dieser Arbeit wurden die vier Phasen auch in AUG Plasmen mit Kohlenstoffwand nachgewiesen. Die Unterschiede zwischen den Beobachtungen bei beiden Wandmaterialien werden auf eine Änderung des Energieverlustkanals zurückgeführt. Dieser Verlustkanal wurde bei Kohlenstoff durch das Ablösen des Plasmas von der Wand erklärt. Dieser Effekt konnte für Wolfram jedoch ausgeschlossen werden. Im Gegensatz zum GWL hängt die Dichte des HDLs im Betrieb mit Wolframwand nur schwach vom Plasmastrom ab. In dieser Arbeit wurde allerdings eine deutliche Abhängigkeit von der Heizleistung nachgewiesen. Die Triangularität des Plasmas hat keine Auswirkung auf die Dichte des HDL, kann aber die Einschlussgüte des Plasmas bei hohen Dichten deutlich erhöhen, da die degradierende Phase später einsetzt. Es wird gezeigt, dass man das HDL und das GWL mit zentral erhöhten Dichteprofilen überschreiten kann. Das beweist, dass beide Limits durch Parameter am Rand bestimmt werden. Hochtemperaturplasmen, wie in ITER und DEMO, werden voraussichtlich intrinsisch zentral erhöhte Dichteprofile haben und sollten entsprechend der vorgestellten Ergebnisse bei Dichten oberhalb des GWL in H-Mode betrieben werden können.