Edge fast-ion transport study using passive FIDA spectroscopy at the ASDEX Upgrade tokamak

Jansen van Vuuren, Anton (2020): Edge fast-ion transport study using passive FIDA spectroscopy at the ASDEX Upgrade tokamak. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Guter Einschluss schneller supra-thermischer Ionen ist wichtig in Fusions-Experimenten, da die schnellen Teilchen das Hintergrund-Plasma heizen und zum Stromtrieb beitragen können. Darüber hinaus würden schlecht eingeschlossene schnellen Ionen nicht nur die Leistung eines möglichen Kraftwerks beeinträchtigen, sondern möglicherweise auch Wandkomponenten beschädigen. Daher ist insbesondere im Randbereich von Fusionplasmen guter Einschluss wichtig denn hier könnten bereits schwache Störungen ausreichen um schnelle Ionen auf sog. offene Feldlinien umzuverteilen. Eine bekannte Instabilität am Rand von Fusion Plasmen sind sog. Edge Localized Modes (ELM) welche Wärme, Teilchen und Impuls periodisch umverteilen. Jedoch ist hierbei noch nicht vollkommen geklärt wie stark der Einfluss von ELMs auf die schnellen Teilchen ist. Für die Untersuchung von schnellen Ionen am Plasmarand wurden im Rahmen dieser Doktorarbeit passive Fast-Ionen-Deuterium-Alpha (FIDA) Messungen entwickelt und am ASDEX Upgrade Tokamak angewendet. Die FIDA Technik basiert auf der spektroskopischen Untersuchung der Balmer-Alpha Emissionslinie, welche von schnellen Ionen nach Ladungsaustausch-Reaktionen mit Hintergrund-Neutralen emittiert wird. Die hohe Geschwindigkeit der energetischen Teilchen führt hierbei zu einer Doppler-Verschiebung welche die FIDA-Emission von anderen Beiträgen im Spektrum trennt. Das bei ASDEX Upgrade installierte passive FIDA-System besteht aus zwei neuen Spektrometern mit sehr hohem Lichtdurchsatz und Sichtlinien, welche für den Plasmarand optimiert sind. Die Spektrometer ermöglichen FIDA-Messungen mit beispielloser zeitlicher Auflösung und ermöglichen gleichzeitig die Messung der Emission von thermischen Hintergrund-Neutralen. Diese sog. thermische Emission enthält wichtige Informationen zur Neutral-Teilchen Dichte, welche für die quantitative Interpretation passiver FIDA-Messungen entscheidend ist. Daher konnte eine neue Methode entwickelt werden, mit der theoretische Profile von Neutralen verifiziert und, falls nötig, skaliert werden können. Plasma-Entladungen wurden an ASDEX Upgrade durchgeführt in denen mittels Neutral-Teilchen Injektion (NBI) eine hohe Dichte von schnellen Ionen außerhalb des Plasma Zentrums erzeugt wurden. Hierbei konnten starke passive FIDA Signale beobachtet werden welche einen klaren Effekt der periodisch auftretenden ELMs aufzeigen. Während im äusseren Bereich des Plasmas eine klare Reduktion der FIDA Emission beobachtet wird, zeigen Messungen innerhalb der letzten geschlossenen Fluss fläche erhöhte Signale kurz nach dem Auftreten von ELMs. Dies konnte durch den verstärkten Einfluss von Hintergrund Neutralen erklärt werden und ist guter Übereinstimmung mit sog. Neutralteilchen Messungen (NPA). Der Rückgang der FIDA Emission im äusseren Bereich, aber auch im inneren Bereich nach einer erster Überhöhung, kann auf die Umverteilung der schnellen Ionen zurückgeführt werden. Detailliertes sensitivitätsstudien bezüglich der Änderungen der Plasmaposition während ELMs zeigen, dass das Ergebnis starker ELM-induzierter Verluste robust ist. Hierbei ist auch zu beachten, dass kleine ELMs beobachtet werden, welche die Dichte der Hintergrund Neutralen und die Plasmaposition nur geringfügig ändern und dennoch einen signifikanten Rückgang der FIDA Emission verursachen. Die systematische Modifikation der theoretischen Verteilungsfunktion schneller Ionen, welche zur Vorhersage synthetischer FIDA-Signale verwendet wird, zeigt die beste Übereinstimmung mit den Daten, wenn etwa 60 % der schnellen Ionen durch ELMs ausserhalb der letzten geschlossenen Flussfläche verloren gehen. Zudem kann ein Rückgang der schnellen Ionen-Dichte von etwa 20 % in einem Bereich bis zu 4 cm innerhalb der letzten geschlossenen Flussfläche ermittelt werden. Dieses Ergebnis stimmt gut mit den jüngsten Modellierungsergebnissen von ELMs mit Hilfe des nichtlineares MHD Codes JOREK überein und zeigt, dass weniger als 0.3 % aller schnellen Ionen durch ELMs verloren gehen.

Abstract

Good confinement of fast supra-thermal ions is important in fusion experiments because the fast particles should heat the background plasma and contribute to the current drive. In addition, badly confined fast ions would not only affect the power output of a possible power plant, but may also damage wall components. In particular, good confinement of fast-ions located in the outer region of the plasma is important, since already weak perturbations might be sufficient to redistribute the fast ions onto so-called open field lines. A known instability at the edge of magnetically confined fusion plasmas is the so-called Edge Localised Mode (ELM) which is well known to periodically redistribute heat, particles and momentum. However, it is still not completely clear how strong the influence of ELMs are on the fast particles. To study fast ions at the plasma edge passive fast-ion deuterium-alpha (FIDA) measurements were developed and applied to the ASDEX Upgrade Tokamak. The FIDA technique is based on the spectroscopic investigation of the Balmer-alpha emission line, which is emitted by fast ions after charge exchange reactions with background neutrals. The high speed of the energetic particles leads to a Doppler shift which separates the FIDA emission from other contributions to the spectrum. The passive FIDA system installed at ASDEX Upgrade consists of two new spectrometers with very high light throughput and lines of sight, which are optimised for the plasma edge. The spectrometers enable FIDA measurements with unprecedented temporal resolution and simultaneously enable the measurement of the emission of thermal background neutrals. The thermal emission contains important information about the neutral particle density, which is crucial for the quantitative interpretation of passive FIDA measurements. Therefore, a new method has been developed, with which the theoretical profiles of neutrals can be verified and, if necessary, scaled. Plasma discharges were carried out on ASDEX Upgrade in which a high density of fast ions outside the plasma centre was generated by means of off-axis neutral particle injection (NBI). Strong passive FIDA signals were observed which show a clear effect of the periodically occurring ELMs. While a clear reduction in the FIDA emission is observed in the outer area of the plasma, measurements within the last closed flux surface show increased signals shortly after the appearance of ELMs. This can be explained by the increased density of background neutrals and is in good agreement with neutral particle measurements (NPA). The decrease in FIDA emissions in the outer area, but also in the inner area after the initial increase, can be attributed to the redistribution of the fast ions. Detailed sensitivity studies regarding changes in plasma position during ELMs show that the result of strong ELM-induced losses is robust. It should also be noted here that small ELMs are observed, which only slightly change the density of the background neutrals and the plasma position and nevertheless cause a significant decrease in FIDA emission. The systematic modification of the theoretical distribution function of fast ions, which is used to predict synthetic FIDA signals, shows the best agreement with the data when about 60 % of the fast ions are lost by ELMs outside the last closed flux surface. In addition, a decrease in the fast-ion density of about 20 % in a range up to 4 cm within the last closed flux surface can be inferred. This result agrees well with the latest modelling results of ELMs using the non-linear MHD code JOREK and shows that less than 0.3 % of all fast ions are lost by ELMs.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 8. Juni 2020
• 1. Bericht­erstatter:in: Zohm, Hartmut