Strukturentstehung in Driftwellenturbulenz toroidaler Plasmen

Abstract

In Fusionsplasmen ist die Turbulenz und der damit inhergehende turbulente Transport für den größten Anteil der Teilchen- und Energieverluste verantwortlich. Durch die annähernd freie Bewegung der Ladungsträger parallel zum Magnetfeld kann die Turbulenz in magnetisierten Plasmen, rotierenden Flüssigkeiten im geophysikalischen Kontext entsprechend, als zweidimensional betrachtet werden. In zweidimensionaler Turbulenz bilden sich durch Wirbelvermischung größere Wirbelstrukturen aus. Es wird davon ausgegangen, dass die Wirbel untereinander wechselwirken und sich gegenseitig durchmischen und so schrittweise immer größere Wirbel bilden. Da dieser Prozess stufenweise abläuft wird dieser als Kaskade bezeichnet. Große Wirbelsysteme können für die Fusionsforschung von entscheidender Bedeutung sein, da sie nicht gleichmäßige radiale elektrische Felder aufbauen können, die eine Schlüsselgröße von internen Transport-Barrieren sind. Die nichtlineare Wechselwirkung zwischen Wirbeln verschiedener Skalen wird im Detail untersucht. Die Untersuchung erlaubt Rückschlüsse auf den Entstehungsmechanismus von großskaligen Wirbelstrukturen in magnetisierten Plasmen.

Turbulence can be considered to be composed out of flow eddies of different sizes. Here, the energy exchange between the different spatial scales of fluctuations is investigated. In two-dimensional fluid turbulence, which is relevant for magnetised plasmas, energy is transported to larger scales, which could raise large scale fluctuations, as for example zonal flows. Zonal flows can lead to transport barriers, e.g. in toroidal high temperature plasmas. Hence, the investigation of the turbulent cascade is both an interesting fundamental physical problem and of importance for confinement in fusion experiments. Potential fluctuations have been measured in a toroidally confined low-temperature plasma with two-dimensional probe arrays. The energy transfer between zonal flows and drift wave turbulence is highly non-local. This non-locality provides an experimental evidence of the parametric modulational instability, which is inherently non-local in $k$-space, as the main driving mechanism of zonal flows by a turbulent drift-wave spectrum. In particular, the energy transfer to the zonal flow is found to be predominantly from the small scales. The physical mechanism of the zonal flow drive consistent with this observation is an elongation and tilting of small eddies by the zonal flow. The energetic interaction among the scales shows an inverse cascade. Non-local transfer, i.e. transfer between non-contiguous spectral ranges, plays an important role in the inverse cascade.