Experimentelle Untersuchungen zur Struktur und Dynamik von Driftwellenturbulenz in Stellaratorgeometrie

Abstract

Seit über 60 Jahren versucht man in der Fusionsforschung ein Plasma mit Hilfe von Magnetfeldern einzuschliesen, so dass die erforderlichen hohen Dichten und Temperaturen für die Zündung der Kernfusion erreicht werden können. Trotz großartiger Fortschritte bewährter Einschlusskonzepte, die Energieeinschlusszeiten an der Zündschwelle der Kernfusion in Bälde erwarten lassen, wird neuartigen Magnetfeldgeometrien von Seiten der theoretischen Plasmaphysik ein enormes zusätzliches Potential an Einschlussverbesserung zugesprochen. Der Schlüssel dafür liegt in der Minimierung des turbulenten Transports durch geeignete Wahl der Magnetfeldgeometrie, wofür ein grundlegendes Verständnis des Einflusses der Magnetfeldgeometrie auf die Plasmaturbulenz essenziell ist. Neben einer stattlichen Anzahl von theoretischen Arbeiten über die turbulente Plasmadynamik in dreidimensionalen Geometrien gibt es nur wenige experimentelle Studien zur Überprüfung der theoretischen Resultate. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher, experimentelle Daten zu liefern, die für den Vergleich mit der Theorie und für tiefere Einblicke in das Wechselspiel zwischen Driftwellenturbulenz und Magnetfeldgeometrie dienen. Dafür werden mit Hilfe zweier Multi-Sondenanordnungen an 128 Stellen auf einer Flussfläche des Stellarators TJ-K in Niedertemperaturplasmen lokale Dichte- und Potentialfluktuationen mit hoher zeitlicher Auflösung gemessen. Daraus bestimmte senkrechte Strukturgrößen sind in Bereichen hoher absoluter lokaler Magnetfeldverscherung reduziert. Zudem wird ein poloidaler Versatz relativ zu den Magnetfeldlinien und ein komplexes Propagationsmuster der parallel ausgedehnten Turbulenzstrukturen gefunden. Aus den Sondendaten können auch Poloidalprofile des turbulenten Transports bestimmt werden. Die Transportmaxima werden dabei poloidal lokalisiert im Bereich negativer Normalenkrümmung (ungünstiger Krümmung) gefunden. Darüber hinaus gibt es Hinweise, dass auch die geodätische Krümmung eine Rolle für den Transport spielen könnte. Die transportverursachenden Bereiche sind parallel entlang einer Magnetfeldlinie auf der Flussfläche ausgedehnt. Die Sondenanordnungen erlauben erstmals auch globale Messungen von Zonalströmungen. Diese deuten auf ein Räuber-Beute-Schema zwischen Zonalströmung und Turbulenz hin, wobei eine signifikante Reduktion des turbulenten Transports um 30 % durch die Zonalströmungen nachgewiesen werden kann. Dabei wirkt die Zonalströmung zunächst auf die Kreuzphase ƒzwischen Dichte und elektrischem Feld, danach erst auf die Fluktuationsamplituden.

For more than 60 years, fusion scientists try to confine a plasma by means of external magnetic fields in order to achieve appropriately high densities and temperatures for the ignition of nuclear fusion. Despite of great progress in the design of confinement concepts, which are considered for the confinement of burning plasmas in the near future, theoretical plasma physics promises further confinement improvements using novel magnetic field geometries. Therefor, the key is the minimization of turbulent transport by choosing appropiate magnetic field geometries, which necessitates a fundamental understanding of the influence of magnetic field geometry on plasma turbulence. There are several theoretical works on turbulent plasma dynamics in three-dimensional geometries, but only a few experimental studies for validation of the theoretical results exist. Hence, the present work aims at providing experimental data for comparison with theory and to gain insights into the interplay between drift-wave turbulence and magnetic field geometry. By means of two multi-probe arrays, local density and potential fluctuations are measured in low-temperature plasmas at 128 positions on a single flux surface of the stellarator TJ-K with high temporal resolution. Using methods of statistical timeseries analysis structure sizes and dynamic properties of the drift-wave turbulence in TJ-K are determined. Thereby, it is shown that the size of turbulent structures perpendicular to the magnetic field is reduced in regions of high absolute local magnetic shear. In addition, a poloidal displacement with respect to the magnetic field lines and a complex propagation pattern of parallelly extended turbulent structures is found. Also, poloidal profiles of turbulent transport are calculated from the probe data. The maximum transport is found to be poloidally localized in a region of negative normal curvature (unfavourable curvature). In addition, the results point to an influence of geodesic curvature on turbulent transport. Regions of maximum transport are parallely elongated along the field line. For the first time, the multi-probe arrays allow global measurements of zonal flows. These point to a predator-prey scheme between zonal flows and turbulent transport associated with a significant reduction of turbulent transport induced by zonal flows by a factor of 30 %. In the early phase of transport reduction, the zonal flow acts mainly on the cross-phase between density and electric field. In a later phase, the fluctuation levels are reduced, too.