Dynamics of poloidally localised radiation zones near the H-mode density limit

Klossek, Felix (2026): Dynamics of poloidally localised radiation zones near the H-mode density limit = Dynamik von poloidal lokalisierten Strahlungszonen in der Nähe des H-Mode-Dichtelimit. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Verhalten von poloidal lokalisierten, aber toroidal symmetrischen Strahlungszonen nahe des Dichtelimits der H-Mode in magnetisch eingeschlossenen Fusionsplasmen der Tokamak-Konfiguration. Diese findet man als asymmetrische Strahlung vom Rand (multifaceted asymmetric radiation from the edge – MARFE) in der Literatur und ist ein Vorbote von Disruptionen ausgelöst durch das Überschreitendes Dichtelimits. Eine Disruption ist charakterisiert durch einen plötzlichen Verlust von Plasmaeinschluss und -strom und muss in größeren Experimenten wegen dem höheren Energieinhalt vermieden oder zumindest abgemildert werden. Während die Rolle von MARFEs als Vorboten von Disruptionen gut etabliert ist, ist ihre Dynamik im Vorfeld einer Disruption nicht gut untersucht. Eine zweidimensionale Ortung des Strahlungsmaximums mit mehreren Diodenbolometerkameras erlaubt die Charakterisierung des MARFE-Verhaltens. In divertierten Plasmen entsteht er am X-Punkt und bewegt sich auf der Innenseite des Torus zum oberen Ende des Plasmas. Dort läuft er weiter radial nach innen und zur Außenseite des Torus, wo er magentohydrodynamische (MHD) Instabilitäten anregt, die am Ende zur Disruption führen. Für die weitere Untersuchung wird in dieser Arbeit ein zeitaufgelöstes, eindimensionales Modell in einem Flussschlauch entlang einer Magnetfeldlinie eingeführt. Radialer Transport ist als Quelle und Senke in MarfeModel implementiert und der Druck in Zeit und Raum konstant gehalten. Linienstrahlung von Stickstoff wird als Proxy anderer Leistungsverlustkanäle wie Ladungsaustauschprozesse, Ionisation, Rekombination und Bremsstrahlung verwendet. Radialer Transport wird als Ballooning-dominiert angenommen und die Leistungsquelle dementsprechend um die äußere Mittelebene lokalisiert. Die Simulation wird mit einem kalten Bereich in der Mitte der Magnetfeldlinie gestartet. In MarfeModel ist der MARFE eine kalte, dichte Region mit einer Ionisationsfront an beiden Enden die sich über die innere Seite des Torus erstreckt. Das experimentelle MARFE-Verhalten wird durch die Identifizierung des experimentellen Strahlungsmaximums mit der sich vom X-Punkt wegbewegenden Ionisationsfront qualitativ reproduziert. Der MARFE bewegt sich vom Rand radial nach innen und folgt den Simulationsergebnissen mit kalten, dichten Regionen auf den jeweiligen Flussflächen bis er am oberen Ende des Plasmas ankommt. Sobald mehr Leistung abgestrahlt wird als ins Plasma eingebracht wird, wird der MARFE instabil. Die kalte, dichte Region breitet sich dann aus bis der Flussschlauch abgekühlt ist. Experimentelle Messungen zeigen einen Temperaturgradienten zwischen Innen- und Außenseite des Torus, was die Ergebnisse qualitativ bestätigt. Unterschiede im MARFE-Verhalten abhängig von der Plasmaform können mit MarfeModelUnterschiede im MARFE-Verhalten abhängig von der Plasmaform können mit MarfeModel erklärt werden.

Abstract

This thesis presents an analysis of the behaviour of poloidally localized, but toroidally symmetric radiating zones near the H-mode density limit in magnetically confined fusion devices using the tokamak configuration. These are introduced as multifaceted asymmetric radiation from the edge (MARFE) in literature and are a precursor of disruptions caused by exceeding the density limit. A disruption is characterized by a rapid loss of plasma confinement and current and has to be avoided or at least mitigated in bigger experiments due to the higher energy content. While the MARFE’s role as precursor is well established its dynamics when approaching the disruption are not well analysed. A two-dimensional tracking of the radiation maximum using multiple diode bolometer cameras enables the characterisation of the MARFE behaviour. In diverted plasmas it originates at the X-point and movesalong the inner side of the torus to the plasma top. There, it continues radially inwards and towards the outer side of the torus, where it triggers magnetohydrodynamic (MHD) instabilities which ultimately lead to the disruption. For further investigation, this work introduces a time-resolved one dimensional power diffusion model in a flux tube along a magnetic field line. Radial transport is implemented as sources and sinks in MarfeModel and the pressure is held constant in time and space. Line radiation from nitrogen is used as a proxy for other possible power loss channels like charge exchange processes, ionization, recombination, and bremsstrahlung. Radial transport is assumed to be ballooning-dominated and the power source is therefore located around the outer mid-plane. The simulation is started with a cold region half-way along the magnetic field line. In MarfeModel, the MARFE is a cold, dense region with a ionisation front at both ends that extends across the inner side of the torus. The experimental MARFE behaviour is qualitatively reproduced by identifying the radiation maximum with the ionisation front moving away from the X-point. The MARFE moves moves radially inwards from the edge and follows the simulation results with cold, dense regions on the respective flux surfaces until it reaches the upper end of the plasma. As soon as more power is radiated than is introduced into the plasma, the MARFE becomes unstable. The cold, dense region then spreads until the entire flux tube is cooled down. Experimental measurements show a temperature gradient between outer and inner side of the torus, which qualitatively confirms the results. Differences in MARFE behaviour depending on plasma shape can be explained with MarfeModel.

• Item Type: Theses (Dissertation, LMU Munich)
• Keywords: Fusion, Plasmaphysik, Disruption, Dichtelimit, MARFE
• Subjects: 500 Natural sciences and mathematics; 500 Natural sciences and mathematics > 530 Physics
• Faculties: Faculty of Physics
• Language: English
• Date of oral examination: 12. March 2026
• 1. Referee: Zohm, Hartmut
• Signature of the printed copy: 0001/UMC 31958