Dynamics and structure analysis of coherent turbulent structures at the boundary of toroidally confined plasmas

Abstract

Die sichere und finanzierbare Deckung des steigenden Energiebedarfs ist eine der größten Herausforderungen unseres Jahrhunderts. Kernfusionskraftwerke nach dem Prinzip des magnetischen Einschlusses können möglicherweise einen entscheidenden Beitrag leisten. Derzeit verhindern Energieverluste des Fusionsplasmas durch Turbulenz einen effizienten Betrieb und erhöhen die Erosion der Innenwand des Fusionsreaktors. Nahe der Wand, in der sogenannten Abschälschicht, wird der Transport dominiert von Blobs oder Filamenten: lokalisierte Strukturen erhöhten Drucks, die Energie und Teilchen in Richtung der Wand transportieren. Der Transport hängt unter anderem ab von der Größe, Geschwindigkeit und Entstehungsrate der Blobs. Für einfache Geometrien des einschließenden Magnetfelds sagt ein analytisches Modell die Größe und Geschwindigkeit der Blobs voraus, nicht aber die Entstehungsrate. Experimentelle Beobachtungen deuten auf eine Beteiligung der Randschichtturbulenz in der Nähe der letzten geschlossenen Flussfläche (dem Beginn der Abschälschicht) bei der Blobentstehung hin, was sich in der Entstehungsrate widerspiegeln sollte. Diese Arbeit beantwortet vorrangig zwei Fragen: Beschreiben die einfachen Modelle die Blobeigenschaften auch in Magnetfeldgeometrien tatsächlicher Fusionsexperimente und welchen Einfluss hat die Randschichtturbulenz auf diese Eigenschaften? Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera wurden Größe, Geschwindigkeit und Entstehungsrate der Blobs im Stellarator TJ-K und dem Tokamak ASDEX Upgrade untersucht. Während eine grundsätzliche Übereinstimmung mit den Vorhersagen besteht, konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Randschichtturbulenz die untersuchten Eigenschaften beeinflusst. Die Messungen beinhalten den ersten systematischen Vergleich der Strukturgrößen inner- und außerhalb der letzten geschlossenen Flussfläche. Darüber hinaus wird mit Sondenmessungen die dreidimensionale Struktur der Blobs in einem Stellarator vermessen und gezeigt, dass die Blobs mehr als 50 % des lokalen und mehr als 20 % des totalen Transports in der Abschälschicht ausmachen. Messungen eines Stroms entlang der Filamente bestätigen, dass das analytischen Modell die relevanten physikalischen Prozesse behinhaltet. In ASDEX Upgrade werden Blobeigenschaften bestimmt und in zwei Einschlussregimen, der sogenannten L- und H-Mode, verglichen. Wie schon in TJ-K zeigt sich eine weitgehende Übereinstimmung mit den analytischen Vorhersagen. Größenmessungen deuten einen Einfluss der hohen Ionentemperatur auf die Blobdynamik hin. Außerdem wird eine überraschend geringe Variation der Blobeigenschaften zwischen L- und H-Mode beobachtet.

The safe and reliable satisfaction of the world’s increasing energy demand at affordable costs is one of the major challenges of our century. Nuclear fusion power plants following the magnetic confinement approach may play an essential role in solving this issue. The energy loss of the fusion plasma due to plasma turbulence reduces the efficiency and poses a threat to the first wall of a fusion reactor. Close to the wall, in the scrape-off layer, this transport is dominated by blobs or filaments: Localized structures of increased pressure, which transport energy and particles towards the wall by propagating radially outwards. Their contribution to the transport depends on their size, propagation velocity and generation rate. An analytical model for the evolution of blobs predicts their velocity and size, but not the generation rate. Experiments indicate that edge turbulence in the vicinity of the last closed flux surface (the boundary between the confined plasma and the scrape-off layer) is involved in the blob generation process and should influence the generation rate. The present thesis aims at answering two main questions: How well do the blob properties predicted from the simple model compare to experimental observations in more complex magnetic field configurations of actual fusion experiments and does the edge turbulence influence the blob properties during the generation process. A fast camera was used to measure blob properties in two devices, TJ-K and ASDEX Upgrade. In TJ-K, blob sizes and velocities were determined together with the generation rate. An overall agreement with the predictions from the simple model is found. For the first time a clear influence of the edge dynamics on the analyzed blob properties is demonstrated. These measurements include the first systematic comparison of the structure-size scaling inside and outside of the last closed flux surface. Furthermore, measurements with a multi-probe array are used to reconstruct the blob shape in a stellarator and to show that the blobs account for more than 50 % of the local and more than 20 % of the total scrape-of layer transport. Measurements of a current along the filaments directly show that the simple model contains the relevant physical processes. In the ASDEX Upgrade, blob properties are compared for two confinement regimes, the so-called L- and H-mode. As in TJ-K, the blob properties can to a good extent be understood from available blob models. Size measurements indicate an influence of the finite ion temperature on the blob properties. Furthermore, a surprisingly low difference in the blob dynamics is observed between L- and H-mode.