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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:93-opus-29847
URL: http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2007/2984/
Investigation of Three-Dimensional Turbulent Structures in the Torsatron TJ-K
Untersuchung von dreidimensionalen turbulenten Strukturen im Torsatron TJ-K
Mahdizadeh, Navid
pdf-Format:
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Gedruckte Ausgabe:
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SWD-Schlagwörter:
Turbulenz , Turbulenztheorie , Turbulente Strömung , Driftwelle , Nichtlineare Driftwelle , Plasmatheorie , Mikrowellenplasma , Plasma , Plasmadynamik
Freie Schlagwörter (Deutsch):
Plasmaturbulenz , Torsatron TJ-K , turbulenter Transport , Stellarator , Glühsonden
Freie Schlagwörter (Englisch):
Plasma turbulence , turbulent structures , drift wave , dynamics of edge turbulence , emissive probe
PACS - Klassifikation:
52.35.-g , 52.30.-q , 52.70.-m , 52.65.-y , 52.55.-s
Institut:
Institut für Plasmaforschung
Fakultät:
Fakultät Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe:
Physik
Dokumentart:
Dissertation
Hauptberichter:
Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)
Sprache:
Englisch
Tag der mündlichen Prüfung:
14.02.2007
Erstellungsjahr:
2007
Publikationsdatum:
13.03.2007
Kurzfassung auf Englisch:
In fusion plasmas, the turbulent transport is responsible for the
major fraction of particle and heat losses, which degrade the
confinement quality in a fusion reactor. Therefore, the
investigation of the turbulence dynamics is of great importance.
In the core of fusion plasmas, instabilities of interchange-type
drive the turbulence, whereas in the plasma edge, the driving
mechanism of turbulence is not yet clear. However, numerical
simulations of plasma turbulence show that the drift wave should
be the dominant instability in this region. It is well known that
the edge plasma influences strongly the global confinement
properties. Furthermore, the turbulence in the edge sets up a
boundary condition for core and scrape of layer transport, which
has still not been understood. Hence, the understanding of
the physics of the plasma edge is an important issue of fusion
research. The key element of the drift wave is the parallel
electron dynamics. It can couple the drift wave to the
shear-Alfvén wave and determines the degree of instability and
the level of transport.
On the other hand, the turbulence dynamics parallel to
the magnetic field is strongly coupled to the dynamics
perpendicular to it. Hence, detailed understanding of
drift-wave turbulence needs both information on the
perpendicular and the parallel dynamics.
For the experimental investigation of plasma turbulence,
diagnostics with high temporal and spatial resolution are
required.
Langmuir probes are well suited for such measurements.
In dense and hot fusion plasmas, however, the use of Langmuir
probes is limited to the scrape-off layer, which is the region
outside the last closed flux surface.
The toroidal low-temperature plasma in TJ-K is dimensionally
similar to the one in the edge of fusion plasmas. In contrast to
fusion plasmas, the whole plasma volume in TJ-K is accessible to
Langmuir probes. This allows the use of probe arrays with a large
number of tips and high temporal and spatial resolution. Such
highly resolved spatial and temporal measurements cannot be
carried out in fusion plasmas. A further important advantage of
TJ-K is that the comparison of experimental and simulated data is
possible in the plasma confinement region. To this end,
simulations for the parameters of the TJ-K plasma were carried
out using the turbulence code GEM3.
In this work, for the first time, the three-dimensional nature of
drift waves has been verified experimentally inside the confinement
region of the toroidal plasma in TJ-K. The perpendicular dynamics of
turbulence has been studied with the focus on the poloidal wavenumber
spectra and the scaling of the
turbulent structure with the drift scale. To this end, a 64 tip
Langmuir probe array has been used, which is poloidally positioned
on a flux surface. For the first time, the parallel dynamics of
turbulence has been investigated in the core of a toroidally confined plasma.
In contrast to previous experiments, multi-probe measurements were
carried out to get simultaneous information on the shape and the
propagation direction of the turbulent structures. The results
for the parallel wave number and the parallel propagation
velocity have been compared with results from the simulation
code GEM3. It is demonstrated that the propagation in the
direction parallel to the magnetic field is affected by Alfvén
dynamics. Together, these results strongly confirm previous
investigations, which have demonstrated the importance of
drift-wave turbulence in TJ-K and therefore also in fusion edge
plasma.
Kurzfassung auf Deutsch:
Die Untersuchung von magnetisch eingeschlossenen Plasmen wurde
durch die Fusionsforschung motiviert. Diese ist besonders durch
den Bau des Forschungsreaktors ITER von aktuellem Interesse.
Eine Schlüsselgröße für einen ökonomischen
Fusionsreaktor ist die Einschlussqualität.
In Fusionsexperimenten sind turbulente Fluktuationen von
Dichte, Temperatur und Potential für den größten Teil der
Teilchen-und Energieverluste verantwortlich, welche zur
Verschlechterung der Einschlussqualität von heißen Plasmen
führen. Dieser turbulente Transport bestimmt die Einschlussgüte
des Experiments und daher letztendlich die Größe eines Fusionsreaktors.
Deshalb wurden umfangreiche theoretische und experimentelle
Untersuchungen zu turbulenten Fluktuationen in Plasmen
durchgeführt. Die Fluktuationen werden abhängig von den
Parametern im Plasma von verschiedenen Instabilitäten
angetrieben. Jede dieser Instabilitäten besitzt eine typische
zeitliche und räumliche Skala. Dabei ist die Kreuzphase zwischen
Dichte- und Potentialfluktuationen eine entscheidende Größe.
Sie unterscheidet zwischen den zwei wichtigsten Instabilitäten,
der Driftwellen- und der MHD-Austauschinstabilität und ist
für die Höhe des turbulenten Transports ausschlaggebend.
Erste Untersuchungen in TJ-K geben Hinweise darauf, dass im
Plasmarand die Turbulenz Driftwellendynamik aufweist. Die
Driftwellen besitzen eine endliche Wellenlänge parallel zum
Magnetfeld und eine Kreuzphase in der nähe von Null, während
die Austauschinstabilitäten eine Kreuzphase um π/2 und eine
unendliche parallele Wellenlänge haben. Eine Kreuzphase ungleich
Null kann auftreten, wenn die parallele Dynamik von
unterschiedlichen Effekten beeinflusst wird. Jedoch steht die
parallele Dynamik mit der Dynamik senkrecht zum Magnetfeld in
Zusammenhang. Daher sollte die Untersuchung der parallelen Dynamik
mit der Untersuchung der senkrechten Dynamik einhergehen.
Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung der parallelen und
senkrechten Dynamik der Turbulenz und der Vergleich der Ergebnisse
mit theoretischen Vorhersagen zur Driftwellenturbulenz. Das
Verständnis des turbulenten Transports und der Instabilitäten,
welche zur Entstehung der Turbulenz im Plasmarand beitragen,
ist Gegenstand dieser Arbeit.
Zur Untersuchung der Fluktuation des radialen Transports in
einem magnetisch eingeschlossenen Plasma werden Diagnostiken
benötigt, die Änderungen der Dichte und des Plasmapotentials auf
Zeitskalen von einigen Mikrosekunden messen können.
Langmuir-Sonden liefern die notwendige Zeitauflösung bei
ausreichend guter Ortsauflösung. Langmuir-Sonden sind in
Fusionsexperimenten jedoch nur im kalten Randbereich außerhalb der Einschlusszone einsetzbar.
Das Niedertemperaturplasma im Torsatron TJ-K ist demgegenüber
im gesamten Einschlussbereich für Sonden zugänglich und
darüberhinaus in den für die Turbulenz relevanten dimensionslosen
Größen dem Plasma im Randbereich von Fusionsexperimenten ähnlich.
Zur Erfassung der turbulenten Strukturen in einem weiten Bereich
räumlicher Skalen benötigt man eine hohe räumliche
Auflösung, welche mit Hilfe von Multisondenarrays erreicht
werden kann. Dazu wurden in TJ-K 64 Langmuir-Sonden poloidal auf
einer Flussfläche angeordnet. Diese Diagnostik erlaubt
zusätzlich zur Messung der räumlichen Kreuzphase zwischen
Dichte- und Potentialfluktuationen auch den Vergleich des
turbulenten Transports auf der Hoch- und Niederfeldseite im Torus.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Dichte- und
Potentialfluktuationen auf allen räumlichen Skalen annährend
in Phase sind. Erstmals wurden in dieser Arbeit Untersuchungen
zur parallelen Dynamik der Turbulenz in der Einschlusszone
eines toroidalen Plasmas durchgeführt.
Dazu wurden die mit einer 8x8-Sondenmatrix erfassten Fluktuationen
mit einer mobilen Sonde an unterschiedlichen toroidalen Positionen
korreliert. Dieses Verfahren gibt Aufschluss über parallele
Wellenzahl und Geschwindigkeit der dreidimensionalen Strukturen der
Turbulenz. Die Ergebnisse werden mit Daten aus dem Turbulenzsimulationscode
GEM3 verglichen. Es wurde gezeigt, dass die turbulenten Strukturen
eine endliche parallele Wellenzahl besitzen.
Diese parallele Wellenzahl wurde für die verschiedenen
Arbeitsgase gemessen. Aufgrund der Alfvéndynamik bewegen sich
die turbulenten Strukturen parallel zum Magnetfeld schneller
als mit Ionenschallgeschwindigkeit. Es zeigte sich ein sehr
gute Übereinstimmung mit dem auf Driftwellenturbulenz basierenden
theoretischen Modell.
Insgesamt konnte in dieser Arbeit bestätigt werden, dass die
Kreuzphase auf der gesamten Flussfläche ungefähr Nullist. Es
wurde erstmals eine endliche parallele Wellenzahl im
Einschlussbereich gemessen. Dadurch wurden mit dieser Arbeit die
ersten Hinweise bestätigt, dass die Driftwelle im
Randbereich von Fusionsplasmen die dominierende Instabilität
ist.
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