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Casali, Livia (2015): Experimental studies and modelling of high radiation and high density plasmas in the ASDEX Upgrade tokamak. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Fusion plasmas contain impurities, either intrinsic originating from the wall, or injected willfully with the aim of reducing power loads on machine components by converting heat flux into radiation. The understanding and the prediction of the effects of these impurities and their radiation on plasma performances is crucial in order to retain good confinement. In addition, it is important to understand the impact of pellet injection on plasma performance since this technique allows higher core densities which are required to maximise the fusion power. This thesis contributes to these efforts through both experimental investigations and modelling. Experiments were conducted at ASDEX Upgrade which has a full-W wall. Impurity seeding was applied to H-modes by injecting nitrogen and also medium-Z impurities such as Kr and Ar to assess the impact of both edge and central radiation on confinement. A database of about 25 discharges has been collected and analysed. A wide range of plasma parameters was achieved up to ITER relevant values such as high Greenwald and high radiation fractions. Transport analyses taking into account the radiation distribution reveal that edge localised radiation losses do not significantly impact confinement as long as the H-mode pedestal is sustained. N seeding induces higher pedestal pressure which is propagated to the core via profile stiffness. Central radiation must be limited and controlled to avoid confinement degradation. This requires reliable control of the impurity concentration but also possibilities to act on the ELM frequency which must be kept high enough to avoid an irreversible impurity accumulation in the centre and the consequent radiation collapse. The key role of the ELM frequency is confirmed also by the analysis of N+He discharges. Non-coronal effects affect the radiation of low-Z impurities at the plasma edge. Due to the radial transport, the steep temperature gradients and the ELM flush out, a local equilibrium cannot be establish an the radiation increases in this region. To account for these effects, an empirical non-coronal model was developed which takes the impurity residence time at the pedestal into account. The validity of this assumption was verified by modelling the evolution of the impurities and radiation for ASDEX Upgrade H-modes with nitrogen seeding by coupling the ASTRA transport code with STRAHL. The time-dependent simulations include impurity radiation due to nitrogen and tungsten and the transport effects induced at the edge by the ELMs. The modelling results have been validated against the experimental data. The modelled radiation profiles show a very good agreement with the measured ones over both radius and time. In particular, the strong enhancement of the nitrogen radiation caused by non-coronal effects through the ELM-induced transport is well reproduced. The radiation properties of tungsten are very weakly influenced by non-coronal effects due to the faster equilibration. W radiation, which is highly dependent on the Elm frequency, strongly increases when this is decreased, due to the lack of sufficiently strong flush out of this impurity. This is in agreement with the experimental observations and indicates that maintaining high ELM frequency is essential for the stability and performance of the discharges. Analyses of the high density scenario with pellets indicate that several processes take place when pellets are injected into the plasma. In particular, due to their cooling effect, the temperature drops as soon as pellets are injected. This is compensated by an increase in density. These processes occur mainly at the edge and are propagated to the core via stiffness. This explains why the confinement stays approximately constant during the whole discharge. Both experiments and transport calculations reveal that the energy confinement time is independent of the density indicating that the currently used scaling is not valid in this regime. The results of this thesis will contribute towards an extension of the confinement scaling which is currently being undertaken.

Abstract

Fusionsplasmen enthalten Verunreinigungen, entweder intrinsische von der Wand, oder absichtlich injizierte mit dem Ziel die Wärmebelastung der Anlagenbauteile zu verringern, indem der Wärmefluss in Strahlung umgewandelt wird. Das Verständnis und die Vorhersage der Auswirkungen dieser Verunreinigungen und deren Strahlung auf den Plasmaeinschluß ist von äußerster Wichtigkeit um hohen Einschluss beizubehalten. Zusätzlich ist es wichtig die Auswirkungen von Pelleteinschuss auf die Plasma Leistung zu verstehen, da diese Technik höhere Dichten im Kern ermöglicht, die erforderlich sind um die Fusionsleistung zu maximieren. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zu diesen Bemühungen sowohl durch experimentelle Untersuchungen als auch durch Modellierungen. Die Experimente wurden an ASDEX Upgrade durchgeführt, das eine komplette Wolframwand besitzt. Das Impfen mit Verunreinigungen wurde auf H-Moden angewandt, indem Stickstoff und mittel-Z Verunreinigungen wie Kr und Ar injiziert wurden, um die Auswirkung sowohl der Rand- als auch der Zentralstrahlung auf den Einschluss zu beurteilen. Eine Datenbank aus 25 Entladungen wurde gesammelt und analysiert. Ein breites Spektrum an Plasmaparametern wurde erreicht, bis zu ITER relevanten Werten wie hoher Greenwald- und hoher Strahlungsanteil. Transportanalysen unter Berücksichtigung der Strahlungsverteilung haben gezeigt, dass Strahlung am Rand keinen wesentlichen Einfluss auf den Einschluss hat, solange das H-Mode Pedestal erhalten bleibt. Die Injektion von N induziert einen höheren Druck am Pedestal, der sich auf Grund von Profilsteifigkeit in den Kern fortpflanzt. Zentrale Strahlung muss begrenzt und kontrolliert werden um eine Verschlechterung des Einschlusses zu vermeiden. Dies erfordert eine zuverlässige Kontrolle der Verunreinigungskonzentration, aber auch die Möglichkeit die ELM Frequenz zu beeinflussen. Diese muss hoch genug gehalten werden, um eine unumkehrbare Verunreinigungsakkumulation im Zentrum und den daraus folgenden Strahlungskollaps zu vermeiden. Die Schlüsselrolle der ELM Frequenz wird auch durch die Analyse der N + He Entladungen bestätigt. Nicht koronale Effekt beeinflussen die Strahlung von niedrig-Z Verunreinigungen am Plasmarand. Aufgrund des radialen Transports, der steilen Temperaturgradienten und dem Ausschwemmen der Verunreinigungen durch die ELM Frequenz, kann sich kein lokales Gleichgewicht einstellen und die Strahlung wächst in dieser Region an. Um diese Effekte zu berücksichtigen wurde ein empirisches nicht-korona Modell entwickelt, das die Verweildauer der Verunreinigungen am Pedestal berücksichtigt. Die Gültigkeit dieser Annahme wurde durch das modellieren der Verunreinigungs- und Strahlungsevolution von ASDEX Upgrade H-Moden mit Injektion von Stickstoff durch die Kopplung des Tranportcods ASTRA mit STRAHL bestätigt. Die zeitabhängigen Simulationen beinhalten die Strahlung der Verunreinigungen Stickstoff und Wolfram und die Transporteffekte, die am Rand durch ELMs hervorgerufen werden. Die Ergebnisse der Modellierung wurden mit den experimentellen Daten verglichen. Die modellierten Strahlungsprofile zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den gemessenen, sowohl radial als auch temporal. Vor allem der starke Anstieg der Stickstoffstrahlung, der durch die nichtkoronalen Effekte aufgrund des ELM induzierten Transports hervorgerufen wird, wird sehr gut reproduziert. Die Strahlungseigenschaften von Wolfram werden aufgrund des schnelleren Erreichens des Ionisationsgleichgewichts nur sehr schwach von den nicht-koronalen Effekten beeinflusst. Die W Strahlung, die sehr stark von der ELM Frequenz abhängt, wächst aufgrund des Fehlens von genügend starkem Ausschwemmen dieser Verunreinigung sehr stark an, wenn die ELM Frequenz verringert wird. Dies ist in Einklang mit experimentellen Beobachtungen und belegt, dass es für die Stabilität und Leistungsfähigkeit der Entladungen essenziell ist, eine hohe ELM Frequenz zu erhalten. Analysen des hochdichte-Szenarios zeigen mit Pellets, dass mehrere Prozesse involviert sind, wenn Pellets in das Plasma injiziert werden. Insbesondere wird ein, durch den kühlenden Effekt der Pellets bedingter, vorübergehender Abfall der im Plasma gespeicherten Energie beobachtet. Dies wird durch einen Anstieg der Dichte kompensiert. Diese Prozesse treten vor allem am Rand auf und pflanzen sich aufgrund der Profilsteifigkeit in den Kern fort. Dies erklärt, weshalb der Einschluss während der gesamten Entladung ungefähr konstant bleibt. Sowohl Experimente als auch Transportrechnungen zeigen, dass die Energieeinschlusszeit unabhängig von der Dichte ist und damit die derzeit verwendete Skalierung in diesem Regime nicht gültig ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden zu einer Erweiterung der Einschlussskalierung beitragen, die derzeit durchgeführt wird.