Untersuchung turbulenter Strukturen am Rand magnetisierter Plasmen

Abstract

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.

Rising energy cost and progressing climate change will exacerbate existing and give birth to new conflicts. Energy savings and the development of new technologies can counteract the reasons for these conflicts. Beside renewable energy sources, nuclear fusion can help to meet this challenge. To build future fusion power plants smaller and more efficient, the magnetic confinement must be improved and the load on plasma facing components reduced. To this end, better understanding is required of turbulent transport processes in magnetized plasmas.

Within the frame of the present work, the properties and dynamics of turbulent density structures ("blobs") have been investigated, as well as their interaction with shear flows. Langmuir-probe measurements have been conducted in the tokamak ASDEX Upgrade and in the stellarator TJ-K, and compared with GEMR plasma turbulence simulations. It has been shown, that blobs are generated at the last closed flux surface (LCFS) of ASDEX Upgrade. They propagate perpendicular to the magnetic field lines in the radial and poloidal directions. The poloidal ExB-drift depends on the radial variation of the plasma potential. The latter is given by the electron temperature profile in front of the electrically conducting wall. Experimental results show, that this can lead to a shear layer inside the scrape-off layer (SOL) of a divertor tokamak due to inhomogeneous connection lengths to the wall. Blobs can hardly cross such a shear layer unchanged. This investigation shows how blobs can exchange particles and energy across a shear layer without changing their shapes and velocities substancially. However, the dynamics of the structures are different between both sides of the shear layer. Parallel drift-wave dynamics are dominant on the plasma core side, i.e. density and potential of the blobs are in phase. Outside of the shear layer, the interchange mechanism dominates due to shorter parallel connection lengths to the wall. The poloidal charge separation leads to a significant phase shift between the positive density perturbation and a positive monopol in the plasma potential. Contrary to the common expectation, the potential has no dipol-like structure. Floating potential measurements may indicate coherent maxima and minima, but the latter have been traced back to coherent electron temperature fluctuations.