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Janzer, Michael Arthur (2015): Tungsten transport in the plasma edge at ASDEX upgrade. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

The Plasma Facing Components (PFC) will play a crucial role in future deuterium-tritium magnetically confined fusion power plants, since they will be subject to high energy and particle loads, but at the same time have to ensure long lifetimes and a low tritium retention. These requirements will most probably necessitate the use of high-Z materials such as tungsten for the wall materials, since their erosion properties are very benign and, unlike carbon, capture only little tritium. The drawback with high-Z materials is, that they emit strong line radiation in the core plasma, which acts as a powerful energy loss mechanism. Thus, the concentration of these high-Z materials has to be controlled and kept at low levels in order to achieve a burning plasma. Understanding the transport processes in the plasma edge is essential for applying the proper impurity control mechanisms. This control can be exerted either by enhancing the outflux, e.g. by Edge Localized Modes (ELM), since they are known to expell impurities from the main plasma, or by reducing the influx, e.g. minimizing the tungsten erosion or increasing the shielding effect of the Scrape Off Layer (SOL). ASDEX Upgrade (AUG) has been successfully operating with a full tungsten wall for several years now and offers the possibility to investigate these edge transport processes for tungsten. This study focused on the disentanglement of the frequency of type-I ELMs and the main chamber gas injection rate, two parameters which are usually linked in H-mode discharges. Such a separation allowed for the first time the direct assessment of the impact of each parameter on the tungsten concentration. The control of the ELM frequency was performed by adjusting the shape of the plasma, i.e. the upper triangularity. The radial tungsten transport was investigated by implementing a modulated tungsten source. To create this modulated source, the linear dependence of the tungsten erosion rate at the Ion Cyclotron Resonance Heating (ICRH) limiters on the injected ICRH power was used. The phase and amplitude of the inwardly propagating tungsten signal was then observed at the erosion site and at three radial positions in the main plasma, from which two were identified in the course of this work by a thorough investigation of the tungsten radiation features in the Vacuum Ultra-Violet (VUV) spectral range . The newly found observation sites are located right in the steep gradient region, close to the Edge Transport Barrier (ETB) and slightly further inside at the pedestal top of AUG H-mode discharges. Futhermore, the parallel flows in the SOL have been monitored by spectroscopical means and Langmuir probes. The experimental results were quite unexpected, since the ELM frequency had no influence on the tungsten concentration, and the sole actuator on this quantity was the gas injection rate. The evaluation of the modulated tungsten signal revealed that neither gas puffing nor plasma shape had an measureable influence on the radial tungsten transport processes. In addition, the tungsten erosion sources were only partially responsible for the observed tungsten behavior. These observations inspired a simple model, which balanced the tungsten outflux with the tungsten influx. In this model the impurity exauhst by ELMs is not diffusive, but turbulent and linked to the ELM size. The model predicted a linear dependence between the tungsten concentration and the parallel velocity in the SOL. This linear dependence was confirmed by the spectroscopical evaluation of the SOL parallel flows.

Abstract

Die dem Plasma ausgesetzten Wandkomponenten werden eine entscheidende Rolle in einem zukünftigen Fusionskraftwerk, das Deuterium- und Tritium-Ionen magnetisch einschließt, spielen, da sie enormen Teilchen- und Energieflüssen widerstehen und gleichzeitig ein geringes Tritium Rückhalteverm ögen aufweisen müssen. Diese Anforderungen werden höchstwahrscheinlich den Einsatz von hoch-Z Materialien wie z.B. Wolfram notwendig machen, denn sie weisen sehr gute Erosionseigenschaften auf und speichern nur wenig Tritium. Allerdings emittieren diese Materialien starke Linienstrahlung im Plasmazentrum, welche als effizienter Energieverlustmechanismus wirkt. Daher muss die Konzentration dieser Elemente kontrolliert und auf niedrigem Nieveau gehalten werden, um ein selbständig brennendes Plasma zu erreichen. Dabei ist es essentiell die Transportphänomene im Plasmarand zu verstehen, um die richtigen Kontrollmechanismen einzusetzen. Diese Kontrollmechanismen umfassen zum einen die Erhöhung des Verunreinigungsausflusses, z.B. durch randlokalisierte Moden (ELM), da diese Verunreinigungen aus dem Hauptplasma ausstossen, zum anderen eine Reduktion der Erosionsflüsse oder eine Erhöhung des Abschirmeffekts der Abschälschicht (SOL). ASDEX Upgrade (AUG) ist seit mehreren Jahren erfolgreich mit einer Wandverkleidung aus Wolfram in Betrieb und bietet die Möglichkeit diese Randtransportprozesse zu untersuchen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entflechtung von Typ-I ELMs und der Gasinjektionsrate im Hauptraum, zwei Parametern, die normalerweise in “H-mode” Entladungen gekoppelt sind. Solch eine Trennung erlaubte zum ersten Mal eine direkte Untersuchung des Einflusses jedes einzelnen Parameters auf die Wolframkonzentration. Die ELM-Frequenz wurde kontrolliert, indem die obere Triangularit¨at, also die Plasmaform angepasst wurde. Der radiale Wolframtransport wurde untersucht, indem man eine modulierte Wolframquelle implementierte. Um diese zu erzeugen wurde die lineare Abhängigkeit der Erosionsrate an den Limitern der Ionen-Zyklotron-Resonanz-Heizung (ICRH) von der eingespeisten ICRH-Leistung benutzt. Die Phase und Amplitude des sich ausbreitenden Wolframsignals wurde dann an der Erosionsstelle und an drei radialen Positionen im Hauptplasma beobachtet. Zwei dieser Positionen wurden im Verlauf dieser Arbeit durch eine genaue Untersuchung des Wolframspektrums im Vakuum-Ultra-Violett (VUV)-Spektralbereichs identifiziert. Diese liegen genau im Bereich der steilen Gradienten nahe der Randbarriere und etwas weiter innen im AUG-Plasma. Darüberhinaus wurden die parallelen Flüsse in der SOL mit spektroskopischen Mitteln als auch mit Langmuir-Sonden gemessen. Die experimentellen Ergebnisse waren überraschend, da die ELM-Frequenz keinen Einfluss auf die Wolframkonzentration ausübte und nur die Gasinjektionsrate diese Grösse beeinflusste. Die Auswertung des modulierten Wolframsignals ergab, dass weder das Gasblasen noch die Plasmaform einen messbaren Einfluss auf radialen Transportprozesse von Wolfram hatte. Ausserdem waren die Wolframquellen nur zu einem kleinen Teil für das beobachtete Wolframverhalten verantwortlich. Diese Beobachtungen führten zu einem simplen Modell, welches den Wolframausfluss mit dem Wolframzufluss ausgleicht. In diesem Modell ist der Wolframausstoss durch ELMs nicht diffusiv sondern turbulent und an die Grösse der ELMs gekoppelt. Aus diesem Modell folgte eine lineare Abhängigkeit zwischen der Wolframkonzentration und der parallelen Geschwindigkeit in der SOL. Diese lineare Abhängigkeit wurde durch die spektroskopischen Untersuchungen der SOL-Flüsse bestätigt.