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Untersuchung turbulenter Strukturen am Rand magnetisierter Plasmen
(2012) Nold, Bernhard; Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)
Steigende Energiekosten und der fortschreitende Klimawandel werden bestehende Konflikte verschärfen und neue hervorrufen. Energiesparen und die Erschließung neuer Technologien können den Ursachen dieser Konflikte entgegen wirken. Neben den erneuerbaren Energiequellen kann auch die Kernfusion helfen diesen Herausforderungen zu begegnen. Um zukünftige Fusionskraftwerke kleiner und leistungsfähiger bauen zu können muss der magnetische Einschluss verbessert und die Belastung der Reaktorwände reduziert werden. Dazu ist ein besseres Verständnis turbulenter Transportprozesse in magnetisierten Plasmen nötig. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Eigenschaften und die Dynamik turbulenter Dichtestrukturen ("Blobs"), sowie deren Wechselwirkung mit Scherströmungen untersucht. Es wurden Langmuir-Sondenmessungen am Tokamak ASDEX Upgrade und im Stellarator TJ-K durchgeführt und mit GEMR-Simulationen der Plasmaturbulenz verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass Blobs in ASDEX Upgrade an der letzten geschlossenen Flussfläche entstehen. Sie propagieren senkrecht zum Magnetfeld in radialer und poloidaler Richtung. Die poloidale ExB-Drift hängt vom radialen Verlauf des Plasmapotentials ab. Dieses wird wiederum durch die Elektronentemperatur vor der elektrisch leitenden Wand bestimmt. In der komplexen Abschälschicht (SOL) eines Divertortokamaks kann dies aufgrund inhomogener Verbindungslängen zur Wand eine Scherströmung hervorrufen, wie die experimentellen Ergebnisse zeigen. Blobs können eine solche Scherströmung kaum unverändert durchqueren. Die Untersuchung zeigt, wie Blobs durch eine Scherströmung hindurch Teilchen und Energie austauschen können, ohne dabei ihre Form und Geschwindigkeit wesentlich zu verändern. Die Dynamik der Strukturen ist jedoch unterschiedlich zwischen den beiden Seiten der Scherströmung. Auf der dem Plasmazentrum zugewandten Seite dominiert die parallele Driftwellendynamik, d.h. Dichte und Potential der Blobs sind etwa in Phase. Außerhalb der Scherströmung wird die Dynamik aufgrund der kürzeren Verbindungslängen vom Austauschmechanismus dominiert. Die damit verbundene Ladungstrennung führt zu einer deutlichen Phasenverschiebung zwischen der positiven Dichtestörung und einem positiven Monopol im Potential. Entgegen der Erwartung zeigt sich im Potential keine dipolartige Struktur. Floatingpotentialmessungen deuten zwar auf kohärente Maxima und Minima hin, letztere konnten hier jedoch auf den Einfluss kohärenter Elektronentemperaturfluktuationen zurückgeführt werden.