Dynamik magnetisch eingeschlossener Plasmen am L-H Übergang : Untersuchung mit Hilfe von Doppler-Reflektometrie im Tokamak ASDEX Upgrade

Abstract

Diese Dissertation handelt von magnetisch eingeschlossenen Fusionsplasmen und ihrem Übergang in die sogenannte H-Mode, einem Plasmazustand mit besonders gutem Einschluß. Obwohl die H-Mode bereits im Jahre 1982 in ASDEX entdeckt wurde, ist der Ursprung ihrer Transportbarriere am Plasmarand noch immer nicht vollständig verstanden. Die Dynamik während des Übergangs in die H-Mode stellt einen Testfall für die Vielzahl der bis heute entwickelten H-Mode Modelle dar. In dieser Arbeit wird das Verhalten der ExB-Geschwindigkeit und der Turbulenzamplitude am L-H Übergang mit Hilfe einer eigens dafür aufgebauten, neuartigen Diagnostik, dem Doppler-Reflektometer untersucht. Sie erlaubt erstmals die gleichzeitige und korellierte Beobachtung der beiden Größen, bei guter Orts- (< 1 cm) und – im Vergleich zu anderen Diagnostiken - besonders hoher Zeitauflösung (<< 1 ms). Es wird das k-Spektrum der Turbulenz im Hauptplasma einer H-Mode Entladung bestimmt. Zur korrekten Interpretation der Meßergebnisse wird eine aufwendige Modellierung der Diagnostik mit Hilfe der Methode der Bewertungsfunktion durchgeführt. Am Plasmarand zeichnet sich bereits vor Erreichen der H-Mode eine Absenkung von v_ExB und eine Zunahme der Verscherrate w_s des radialen, elektrischen Feldes ab, die jedoch durch zunehmende Temperatur- und Dichtegradienten vollständig erklärt werden kann. Die Geschwindigkeit v_i,_|_ des Hauptionenfluids senkrecht zum Magnetfeld und Dichtegradient bleibt während des L-H Übergangs näherungsweise konstant. Erreicht w_s die Größenordnung der diffusiven Zerfallsrate w_t der Turbulenz, setzt (ebenfalls bereits vor dem L-H Übergang) fließend die Reduktion der Turbulenzamplitude ein, wie es das BDT-Kriterium vorhersagt. Alle Ergebnisse der im Rahmen dieser Arbeit in ASDEX Upgrade durchgeführten Messungen sind kompatibel mit dem 1993 von Hinton/Staebler vorgestellten H-Mode Modell.

This thesis work deals with magnetically confined fusion plasmas and their transition to a high-confinement regime, dubbed H-Mode. Although this plasma state was discovered already in 1982 in the ASDEX tokamak, the origin of the H-Mode transport barrier at the plasma edge has not yet been fully understood. The dynamics during the transition to H-mode represent a test case for the variety of H-mode models that have been developed since. In this thesis, the behavior of the ExB-velocity and the turbulence amplitude at the L-H transition is investigated by a novel type of diagnostic, the Doppler reflectometer, that has been built up for that very purpose. This diagnostic allows for the first time a simultaneous and correlated measurement of these two quantities, with good spatial (< 1 cm) and superior temporal resolution (<< 1 ms), compared to other diagnostics. The k-spectrum of the turbulence in the bulk plasma of an H-mode discharge is determined. For the correct interpretation of the measured data, a sophisticated modelling of the diagnostic (based on the method of the weighting function) is carried through. At the plasma edge, already before the L-H transition a decrease of v_ExB and an increase of the shear rate w_s of the radial electric field is observed, which can be explained to full extent by the rising temperature and density gradients. The main ion fluid velocity v_i,_|_ perpendicular to the magnetic field and the density gradient remains approximately constant during the state transition to the H-Mode. When w_s reaches the order of the diffusive decay rate w_t of the turbulence, the reduction of the turbulence amplitude gradually sets in (prior to the L-H transition as well), as it is predicted by the BDT criterion. All results of the measurements carried through for this thesis in ASDEX Upgrade are compatible with the H-mode model that was presented by Hinton/Staebler in 1993. An english summary of this thesis is given in the appendix.