Investigation of three-dimensional turbulent structures in the torsatron TJ-K

Abstract

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.

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.