The role of MHD instabilities in the improved H-mode scenario

Abstract

Recently a regime of tokamak operation has been discovered, dubbed the improved H-mode scenario, which simultaneously achieves increased energy confinement and stability with respect to standard H-mode discharges. It has been suggested that magnetohydrodynamic (MHD) instabilities play some role in establishing this regime. In this thesis MHD instabilities were identified, characterised, and catalogued into a database of improved H-mode discharges in order to statistically examine their behaviour. The onset conditions of MHD instabilities were compared to existing models based on previous H-mode studies. Slight differences were found, most notably a reduced $\beta_N$ onset threshold for the frequently interrupted regime for neoclassical tearing modes (NTM). This reduced threshold is due to the relatively low magnetic shear of the improved H-mode regime. This study also provided a first-time estimate for the seed island size of spontaneous onset NTMs, a phenomenon characteristic of the improved H-mode scenario. Energy confinement investigations found that, although the NTM impact on confinement follows the same model applicable to other operating regimes, the improved H-mode regime acts to mitigate the impact of NTMs by limiting the saturated island sizes for NTMs with toroidal mode number $n \geqslant 2$. Surprisingly, although a significant loss in energy confinement is observed during the sawtooth envelope, it has been found that discharges containing fishbones and low frequency sawteeth achieve higher energy confinement than those without. This suggests that fishbone and sawtooth reconnection may indeed play a role in establishing the high confinement regime. It was found that the time evolution of the central magnetic shear consistently locks in the presence of sawtooth and fishbone reconnection. Presumably this is due to the periodic redistribution of the central plasma current, an effect which is believed to help establish and maintain the characteristic current profile required for improved H-mode operation. A similar effect was proposed for the NTM instability whereby the magnetic island drives an additional toroidal current which flattens the central current density profile. However, it was found that the NTM impact on the toroidal current density could be accounted for purely in terms of the $3$ conventional current contributions, namely: ohmic, bootstrap, and auxiliary heating current drive, without requiring an additional current source.

Fusion prozessen in Sternen verlassen sich auf einer Weak Wechselwirkung mit niedriger Wahrscheinligkeit. Solche Reaktionen sind deshalb ungeeignet fuer kontrollierte Kernfusions Forschung auf der Erde. Von den mögliche Reaktionen hat D-T den grössten Wirkungsquerschnitt für erreichbaren Temperaturen. Heutige Konzepte für Fusionreaktoren gehen von der Verwendung dieser Reaktion aus.

Ein Hauptziel der Kernfusions Forschung ist der sogenannte gezündete Fusionsplasma Betrieb. In einem gezündeten Plasma werde alle Energieverluste von alpha-Teilchen Heizung abgedeckt. Um diese Zündbedingung zu erreichen, muß das Plasma heiss und dicht für gewisse Zeit gehalten werden. Die sogenannte Energieeinschlußzeit ist deshalb eine sehr wichtige Maßnahme der Einschlußqualität eines Plasmas. Zusammen mit beta (das Ratio Plasma zum magnetischen Druck) ist es möglich die Einschlußqualität zu quantifizieren.

Eine mögliche Art und Weise um die Zündbedingung zu erreichen ist das Plasma in ein Magnetfeld zu schliessen. Tokamaks sind ein Beispiel den magnetischen Einschlußes. In dieses Konzept werden Teilchen Endverluste entland von Magnetfeltlinien Vermeidet durch Anordnung in torusförmiger Geometrie. Aufgrund die Teilchendriften ist einem reinen toroidal Konfiguration nicht möglich. Ein zusatzlichen Poloidalfeld ist benötigt um helikale Feldlinien zu formen. In ein Tokamak wird das Poloidalfeld durch induziertes Plasmastrom hergestellt.

Verschiedene Betriebsregimen haben verschiedene Einschlußeigenschaften. Zum Beispiel, das sogenannte hoch Einschluß'' Modus (H-Mode) wird durch der Herstellung ein Edge-Transport-Barrier zum deutlichen höhe beta und tau_E als Betriebsregimen ohne dieses Mechanismus. Ein zweites hoch Energieeinschluß Modus existiert, die sogenannte improved H-Mode. So wie im H-Mode wird das Einschluß verbessert durch Herstellung eines Edge-Transport-Barriers. Improved H-Moden erreichen aber deutlich höheren tau_E und beta als standard H-Moden. Man hat die Vorstellung, dass Magnetohydrodynamische (MHD) Instabilitäten bei der Erzeugung dieses Hocheinschlussszenarios eine Rolle spielen könnten.

Das Ziel dieses Dissertations war zu verstehen die Rolle von MHD Instabilitäten in improved H-Mode Entladungen. Wir haben die folgende Fragen geantwortet: Welche Plasmabedingungen führen zum Destabilisierung die Instabilitäten? Was ist die Auswirkung von die Instabilitäten auf die Energieeinschluß? Wie ändern die Instabilitäten das Plasma Stromprofil?

Um die drei Fragen zu beantworten ein Datenbank von improved H-Mode Entladungen war errichtet. Das Datenbank sollte statistisch untersuchen die Weschelwirkung von die folgende Instabilitäten:

Neoklassicher Tearing Moden (NTM) - magnetische Inseln getrieben von das Plasma Druckprofil. Frequently interrupted Regime NTM (FIR-NTM) - wie das NTM Instabilität, aber die maximale Inselgröße wird durch periodische Stochastizierung limitiert. Fishbones - Instabilitäten getrieben von Mode-Teilchen Resonanz. Sawteeth - periodische Entspannung der zentrale Plasma Druckprofils.

Neue Analysemethoden waren entwickelt zu hilfen mit der Auswertung von MHD Moden, inclusiv: ein correlated Spektrogramsystem für das Mirnov Spule Diagnostik, ein Sawtooth Entdeckungsalogrithmus für das Temperatureprofil Diagnostik, und ein soft X-ray tomographie System. MHD Instabilitäten wurdren damit identifiziert, charakterisiert und katalogisiert. Das Datenbank kombiniert Zeitfolge von Instabilitäten mit Plasmakonditionen, schnell Teilchen Simulationen, und Gleichgewicht Rekonstruktionen.

Wir haben zuerst die Schwellwerte von Instabilitäten untersucht und vergliechen mit standard H-Mode Verhaltung. Alle Schwellwerten zeigen gute Einvernehmen mit MHD Theorien ausser für das FIR-NTM Instabilität. Der Schwellwert für das Frequently Interrupted Regime ist im Vergleich zu standard H-Mode Entladungen gering. Dies ist auf das abgeflachte Stromprofil zurück zu führen.

NTMs in improved H-Mode Entladungen wachsen regelmäßig ohne ein sichtbares Precursor Event. Wir nennen solche NTMs spontaneous Onset NTMs (SNTMs). Ein anfangs Inselgröße von ungefähr 1.3+-0.7cm war gefuenden für SNTMs in improved H-Mode Entladungen. Dieses Wert zeigt gut Einvernehmen mit die Erwartungen von NTM Theorie (1.0+-0.4cm).

Die Vorhersage der Einschlusserniedrigung durch NTM Aktivität funktioniert mit dem Belt Model bei improved H-Moden genauso wie beim standard H-Mode Entladungen. Das improved H-Mode Szenario führt jedoch zur Abmilderung der Einschlusserniedrigung durch Begrenzung der maximalen Inselgrösse (bei NTMs) mit der toroidalen Modenzahl n<=2. Überraschenderweise findet man, dass, trotz eines signifikanten Verlustes von zentralem Energieeinschluss durch die Sägezahn Instabilität, Entladungen mit Fishbones und niederfrequenter Sägezahnaktivität höheren Energieeinschluss zeigen als Entladungen ohne derartige Instabilitäten. Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass die zwei Instabilitäten bei der Herstellung des Hocheinschlussszenarios eine Rolle spielen.

Durch weitere Untersuchungen ist festgestellt worden, dass sich das zentrale Stromprofil nicht mehr verändert, sobald Fishbone/Sägezahn Aktivität anfängt, wahrscheinlich durch periodische Neuverteilung des Plasmastroms. Dieser Effekt soll bei der Erreichung eines abgeflachten Stromprofils, welches für Improved H-Mode Operation benötigt wird, helfen. Eine ähnliche Vorstellung existiert auch für NTMs, wobei die magnetische Insel zusätzlichen Plasmastrom in toroidaler Richtung treibt und dabei zur Abflachung des Stromprofils führt. Aber kein zusätzlicher Strom ist gefunden worden. Die Auswirkung von NTMs auf das Stromprofil konnte allein durch die drei Standardstrombeiträge erklärt werden ohne eine vierte Komponente zu benötigen.