Experimental investigation of enhanced particle transport due to magnetic perturbations on ASDEX upgrade

Leuthold, Nils (2020): Experimental investigation of enhanced particle transport due to magnetic perturbations on ASDEX upgrade. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Am "Axisymmetric Divertor Experiment Upgrade" Tokamak in Garching wird an Kernfusion zum Zweck der Energiegewinnung geforscht. Nachdem in einem Tokamak Deuterium auf mehrere keV aufgeheizt wird, kann dieses aufgrund der einsetzenden Ionisierung als Plasma beschrieben werden. Magnetfelder werden dabei genutzt, um das Plasma in einer Vakuumkammer so einzuschließen, dass es thermisch isoliert ist gegenüber den Wänden der Kammer. Das Szenario, welches für zukünftige Kernkraftwerke basierend auf Kernfusion vorgesehen ist, ist die sogenannte H-Mode. In diesem Szenario wird eine Transportbarriere (ETB) am Rand des Plasmas geformt, was dort einen starken Druckgradienten zur Folge hat. Aufgrund dieses Druckgradienten in der ETB treten sogenannte "edge localized modes" (ELMs) während der H-Mode auf. Sie äußern sich als periodisch auftretende Instabilitäten, welche Energie und Teilchen aus dem Plasma heraus in Richtung der Gefäßwände schleudern. Man vermutet, dass die daraus resultierende Wärmelast auf den Wänden in zukünftigen Kernfusionsreaktoren zu untragbar hoher Erosion führt. Eine Methode zur Abschwächung und sogar Unterdrückung von ELMs ist die Überlagerung des einschließenden Magnetfelds mit einem radial gerichteten magnetischen Störfeld. Die Funktionsfähigkeit dieser Methode wurde bereits an mehreren Tokamaks demonstriert. Jedoch wurde dabei beobachtet, dass die Abschwächung oder Unterdrückung der ELMs von einer Erhöhung des auswärts gerichteten Transports von Teilchen und Energie - dem sogenannten "pump-out" Effekt - begleitet wird. Dies wiederum beeinflusst die Dichte und Temperatur des Plasmas. Die experimentelle Untersuchung des physikalischen Prozesses verantwortlich für den erhöhten Transport verursacht durch das magnetische Störfeld ist das Thema dieser Arbeit. Um die Erhöhung des Transportes radial zu lokalisieren, wurde die Amplitude des magnetischen Störfeldes moduliert. Das Minimum der Phase der gemessenen Dichtemodulation liegt in der ETB, was darauf hinweist, dass der Ursprungsort des "pump-out" Effekts in der ETB liegt. Die Propagation der Dichtemodulation in Richtung des Plasmazentrums kann als Konsequenz der Dichtemodulation am Rand verstanden werden. Indem man magnetische Flussflächen, welche resonant zum angelegten Störfeld sind, in radiale Richtung verschiebt, wird deren Position relativ zum Ort verschwindenden radialen elektrischen Feldes Er variiert. Ein messbarer Effekt aufgrund des Überlapps von resonanter Fläche und Er Nulldurchgang auf die Stärke des "pump-out" Effekts wird nicht beobachtet. Die Beobachtung toroidal asymmetrischer breitbandiger Dichtefluktuationen und deren Verbindung zum Dichteprofil in der Randschicht sowie zu Dichtefluktuationen am Divertor lässt den Schluss zu, dass turbulenter Transport eine wichtige Rolle für den "pump-out" Effekt spielt. Messungen deuten an, dass die zugrunde liegende Instabilität in Ionenrichtung rotiert. Wenn die Amplitude des magnetischen Störfeldes einen kritischen Wert erreicht, dann kann eine quasi-kohärente Mode in der ETB während ELM Unterdrückung beobachtet werden. Wir beobachten, dass diese Mode den Teilchentransport erhöhen kann und dadurch eine mögliche Rolle im Aufrechterhalten der ELM Unterdrückung einnimmt.

Abstract

At the Axisymmetric Divertor Experiment Upgrade tokamak located in Garching, research on nuclear fusion as a source of energy is conducted. After heating deuterium up to several keV, it can be described as a plasma due to the consequent ionization. Magnetic fields are used to confine the plasma in a vacuum chamber such that the thermal isolation from the vessel wall is provided. The operational regime foreseen for future fusion power plants is the H-mode. In this regime, an edge transport barrier (ETB) is formed, which gives rise to a strong pressure gradient. During the H-mode, the so-called edge localized modes (ELMs) are present as a consequence of the pressure gradient in the ETB. ELMs manifest themselves as periodic bursts of particles and energy expelled from the confined plasma onto the plasma facing components. The resulting heat loads on plasma facing components are expected to lead to unacceptably high erosion in future tokamaks. One method for mitigating or completely suppressing ELMs is the superposition of the confining magnetic field with a small radial magnetic perturbation (MP) field. The viability of this method has been demonstrated on several of today's tokamaks. However, it is also observed that the mitigation and suppression of ELMs can be accompanied by an increase of the outward directed particle and energy transport influencing the plasma density and temperature dubbed the 'pump-out' effect. The experimental investigation of the physical mechanism behind the increased outward transport by magnetic perturbations is the topic of this thesis. The radial localization of increased transport is investigated during a plasma discharge, in which the amplitude of the applied MP field was modulated. The phase of the measured electron density modulation at different radial coordinates indicates an origin of the increased transport in the ETB region, where a strong pressure gradient is present. The propagation of the density modulation towards the core of the plasma is found to be a mere reaction of the plasma to the modulated edge density. By moving magnetic surfaces resonant to the applied MP field in radial direction during a discharge, a possible influence of the relative position of resonant surfaces and the zero-crossing of the radial electric field is tested. During such scans, no dependence of the electron density is observed indicating that effects relating to this resonance do not dominate the 'pump-out' effect. Observations of an toroidal asymmetry in broadband density uctuations and their connection to the density profile outside the plasma as well as to density fluctuations at the divertor indicate that turbulent transport causes radial particle transport. Measurements suggest that the underlying instability to be rotating in the ion direction. When a threshold in the MP field amplitude is reached, a quasi-coherent mode can be observed in the ETB region during ELM suppression. The experiments indicate that this mode increases radial particle transport further and, thereby, plays a possible role for the plasma to stay in the ELM suppression regime.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Nuclear fusion, tokamak, ASDEX Upgrade, ELM suppression, resonant magnetic perturbation
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 17. Juni 2020
• 1. Bericht­erstatter:in: Zohm, Hartmut