Browsing by Author "Höhnle, Hendrik"

Now showing 1 - 1 of 1

Open Access
Neue Anwendungsgebiete der Elektronzyklotronresonanzheizung an ASDEX Upgrade
(2012) Höhnle, Hendrik; Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)
In dieser Arbeit wurden Heizszenarien der Elektronzyklotronresonanzheizung (ECRH) für neue Parametergebiete am Tokamak ASDEX Upgrade im Hinblick auf ITER entwickelt. Die ECRH wird seit dem Umbau des Materials der ersten Wand von Kohlenstoff zu Wolfram auch für die Kontrolle der Wolframkonzentration im Plasmazentrum gebraucht. In ITER-relevanten Entladungen an ASDEX Upgrade wird der Einsatz der ECRH in der üblich verwendeten außerordentlichen Mode an der zweiten Harmonischen (X2-Mode) jedoch begrenzt. Durch die beim ITER-Szenario gleichzeitig benötigte hohe Dichte und hohe Verdrillung des Magnetfeldes, die durch kleine Werte des Sicherheitsfaktors ausgedrückt werden kann, kommt es bei gutem Einschluss zu einem Überschreiten der Cutoff-Dichte der X2-Mode. Dadurch wird die Mikrowelle vor dem Erreichen der Resonanz reflektiert und kann nicht mehr zur zentralen Heizung oder zur Kontrolle der Wolframkonzentration eingesetzt werden. Eine Möglichkeit dieses Problem zu überwinden, ist die Reduzierung des Magnetfeldes und der Absorption der Wellen an der dritten harmonischen Resonanz. Durch die Abhängigkeit des Cutoffs vom Magnetfeld lassen sich so Plasmen bis zu einer 1/3 höheren Dichte heizen. Jedoch konnte mit Raytracing- und Beamtracing-Programmen nur eine zentrale Absorption von ca. 60-70 % an der dritten harmonischen Resonanz ermittelt werden. Die nicht absorbierte ECRH-Leistung ist wegen ihrer hohen Leistungsdichte für mikrowellensensitive Bauteile in ASDEX Upgrade gefährlich. Eine Optimierung des Magnetfeldes von 1,7 T auf 1,8 T kann die Streustrahlung minimieren, indem die am Rand liegende zweite harmonische Resonanz als Strahlensumpf genutzt wird. Die Depositionsregion der dritten Harmonischen bleibt dabei für die Unterdrückung der Wolframakkumulation zentral genug. Dieses Szenario konnte anhand von Experimenten durch die Betrachtung der Streustrahlung und Elektronentemperatur bei zwei verschiedenen Magnetfeldstärken (1,7 T und 1,8 T) verifiziert werden. Auch die Abhängigkeit der Wolframakkumulation von der ECRH-Leistung konnte experimentell gezeigt werden. Mit diesen Ergebnissen war es erstmals möglich, ITER-relevante Entladungen bei kleinem Sicherheitsfaktor an ASDEX Upgrade zu fahren. Die in dieser Arbeit betrachteten ITER-Parameter wurden erreicht und teilweise auch übertroffen. Neben dem verringerten Magnetfeld und der Verwendung der dritten harmonischen Resonanz ist es aber auch möglich, zentral an der zweiten Harmonischen in der ordentlichen Polarisation (O2-Mode) zu heizen. Dadurch ist das Anwenden der ECRH bis zur doppelten Dichte möglich. Es besteht jedoch auch mit der O2-Mode das Problem der unvollständigen Absorption der Heizwellen bei den an ASDEX Upgrade erreichbaren Plasmaparametern. Im Gegensatz zum X3-Szenario kann hierbei jedoch nicht auf einen Strahlensumpf zurückgegriffen werden. Dies erfordert ein eigens für die O2-Mode entwickeltes Heizszenario. Hierbei werden die durchscheinenden Anteile der O2-Strahlen an Spiegeln an der inneren Wand an ASDEX Upgrade reflektiert und so weitere zentrale Plasmadurchgänge realisiert. Mit Beamtracing-Rechnungen konnte eine Steigerung der Absorption von 80 % auf 94 % berechnet werden. Für dieses Heizszenario mussten spezielle Spiegel entwickelt und gebaut werden, die einige Bedingungen erfüllen mussten. Die Spiegel mussten sich z. B., erosionsbedingt und um das Plasma nicht zu verunreinigen, an die innere Wand anschmiegen. Ferner mussten die Spiegel polarisationserhaltend sein, d. h., die Reflexion musste ebenfalls in ordentlicher Polarisation erfolgen. Diese Anforderungen erfüllen nur sogenannte holografische Gitterspiegel, die eine Optimierung der Gitterprofile mittels des Verfahrens der Differenziellen Evolution bedingen. Die theoretischen Reflexionseigenschaften der Spiegel konnten vor dem Einsatz an ASDEX Upgrade experimentell bestätigt werden. In Plasmaentladungen kann es aber wegen unvorhersehbarer Dichteänderungen zu einer Bewegung der Strahlen auf den Spiegeln kommen. Um die Position der Strahlen auf den Spiegeln zu kontrollieren, wurde eine Echtzeitsteuerung zur Nachführung der Strahlen, basierend auf Thermoelementen, entwickelt. Experimente zeigten die erfolgreiche Nachführung der Strahlen in ITER-relevanten Entladungen. In Modulationsexperimenten konnte die höhere Absorption im Plasmazentrum nachgewiesen werden und so das O2-Heizungszenarios verifiziert werden. Mithilfe der Temperaturantwort der Thermoelemente war auch die experimentelle Überprüfung der theoretisch berechneten Absorption möglich. Diese Ergebnisse erlaubten erste Entladungen mit niedrigem Sicherheitsfaktor und der O2-Heizung. Durch die hohe zentrale Wellenheizung und das Einblasen von Deuterium war es möglich, die Wolframkonzentration weiter zu reduzieren. Die betrachteten ITER-relevanten Parameter konnten erreicht und teilweise übertroffen werden.