Dokument: Electron Transport in the Plasma Edge with Rotating Resonant Magnetic Perturbations at the TEXTOR Tokamak
| Titel: | Electron Transport in the Plasma Edge with Rotating Resonant Magnetic Perturbations at the TEXTOR Tokamak | |||||||
| Weiterer Titel: | Elektronentransport am Plasmrand mit rotierenden Resonanten Magnetischen Störfeldern am Tokamak TEXTOR | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=18743 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20110801-145110-7 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Stoschus, Henning [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Samm, Ulrich [Gutachter] Prof. Dr. Pretzler, Georg [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | plasma, fusion, TEXTOR, tokamak, plasma edge, electron transport, Resonant Magnetic Perturbations, RMP fields, magnetic topology | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Small three-dimensional (3D) magnetic perturbations can be used as a tool to control the edge plasma parameters in magnetically confined plasmas in high confinement mode (”Hmode”) to suppress edge instabilities inherent to this regime, the Edge Localized Modes (ELMs). In this work, the impact of rotating 3D resonant magnetic perturbation (RMP) fields on the edge plasma structure characterized by electron density and temperature fields is investigated. We study a low confinement (L-mode) edge plasma (r/a > 0.9) with high resistivity (edge electron collisionality v*e > 4) at the TEXTOR tokamak. The
plasma structure in the plasma edge is measured by a set of high resolution diagnostics: a fast CCD camera (dt = 20µs) is set up in order to visualize the plasma structure in terms of electron density variations. A supersonic helium beam diagnostic is established as standard diagnostic at TEXTOR to measure electron density ne and temperature Te with high spatial (dr = 2 mm) and temporal resolution (dt = 20µs). The measured plasma structure is compared to modeling results from the fluid plasma and kinetic neutral transport code EMC3-EIRENE. A sequence of five new observations is discussed: (1) Imaging of electron density variations in the plasma edge shows that a fast rotating RMP field imposes an edge plasma structure, which rotates with the external RMP rotation frequency of |vRMP | = 1 kHz. (2) Measurements of the electron density and temperature provide strong experimental evidence that in the far edge a rotating 3D scrape-off layer (SOL) exists with helical exhaust channels to the plasma wall components. (3) Radially inward, the plasma structure at the next rational flux surface is found to depend on the relative rotation between external RMP field and intrinsic plasma rotation. For low relative rotation the plasma structure is dominated by a particle and energy loss along open magnetic field lines to the wall components. For high relative rotation indications for a magnetic island acting as locally confining sub-volumes are found. (4) For high relative rotation, the entire measured edge plasma structure is shifted by pi/2 toroidally with respect to the position modeled in vacuum approximation. The latter two experimental findings are compatible with modeling results of the underlying magnetic topology including plasma response obtained by a 4-field drift fluid transport model. (5) A smaller shift is measured in front of the RMP coils. This gives direct experimental evidence that the near field plasma structure is governed by the competition between the RMP near field and the local plasma structure at the next inward rational flux surface. The results obtained are essential input for benchmarking models, which include plasma response, in order to extrapolate the RMP imposed 3D plasma structure toward the next step fusion experiment ITER. The measurements of the plasma structure presented indicate that the underlying magnetic topology is rotation dependent and may therefore stimulate direct measurements of the components of the magnetic field in future.Kleine dreidimensionale (3D) magnetische Störungen stellen eine Möglichkeit dar, die Plasmaparameter am Rand in magnetisch eingeschlossenen Fusionsplasmen so zu kontrollieren, dass typische Randschichtinstabilitäten, sogenannte Edge Localized Modes (ELMs), unterdrückt werden. In dieser Arbeit wird der Einfluss von rotierenden, dreidimensionalen, resonanten magnetischen Störfeldern (Resonant Magnetic Perturbation fields - RMP fields) auf die Randschichtplasmastruktur anhand von Messungen von Elektronendichte- und Temperaturfeldern untersucht. Gegenstand der Untersuchung ist ein hoch resistives Randschichtplasma (r/a > 0.9, Elektronenstößigkeit v*e > 4) am Tokamak TEXTOR in der sogenannten L-mode (low confinement mode). Die Plasmastruktur wird mit einem Satz von hochauflösenden Diagnostiken gemessen: eine schnelle CCD Kamera (dt = 20µs) wurde aufgebaut, um die Plasmastruktur im Hinblick auf Variationen der Elekronendichte zu visualisieren. Ein Helium-Überschallstrahl wurde als Standarddiagnostik an TEXTOR etabliert, um Elektronendichte ne und -temperatur Te mit hoher Raum- (dr = 2 mm) und Zeitauflösung (dt = 20µs) zu messen. Die experimentell charakterisierte Plasmastruktur wird mit dem 3D Transport Modell EMC3-EIRENE verglichen, das das Plasma im Flüssigkeitsbild und Neutralteilchen in einem kinetischen Modell beschreibt. Fünf neue Beobachtungen werden diskutiert: (1) Die visuelle Beobachtung von Elektronendichtevariationen im Plasmarand zeigt, dass schnell rotierende RMP Felder eine Plasmastruktur aufprägen, welche mit der Rotationsfrequenz des externen Störfeldes von |vRMP | = 1 kHz rotiert. (2) Messungen der Elektronendichte und -temperatur liefern experimentelle Belege, dass in der äußersten Randschicht eine rotierende, 3D Abschälschicht mit helikalen Strömungskanälen zur Wand existiert. (3) Radial innen konnte gezeigt werden, dass die Plasmastruktur an der nächsten rationalen Flussfläche von der Relativrotation zwischen externem RMP Feld und intrinsischer Plasmarotation abhängt. Für geringe Relativrotation ist die Plasmastruktur dominiert durch einen Teilchen- und Energieverlust aufgrund von offenen magnetischen Feldlinien. Für hohe Relativrotation wurden Anzeichen für eine rotierende magnetische Insel mit lokalem Einschluss in Teilvolumina gefunden. (4) Für hohe Relativrotation stellt sich eine Verschiebung der gesamten Randschicht-Plasmastruktur im Vergleich mit der berechneten Position in der Vakuumnäherung um pi/2 in toroidaler Richtung ein. Diese Befunde for hohe Relativrotation sind in qualitativer Übereinstimmung mit Modellierungsergebnissen der zugrunde liegenden Magnetfeldtopologie mit interner Plasmareaktion, welche im Rahmen eines Flüssigkeitsmodells mit Teilchendriften beschrieben wird. (5) Eine geringere Verschiebung der Plasmastruktur in der Nähe der RMP Spulen weist deutlich darauf hin, dass ein Wettbewerb zwischen dem magnetischen Nahfeld und der lokalen Plasmastruktur an der äußersten rationalen Flussfläche existiert, die somit letztlich die Wechselwirkung der 3D Randschicht mit der Wand bestimmt. Diese Ergebnisse stellen eine grundlegende Referenz für Modellierungen mit selbstkonsistenter Plasmareaktion dar, um die durch RMP Feldern aufgeprägte Plasmastruktur prädiktiv hin zum zukünftigen Fusionsreaktor ITER zur extrapolieren. Die Messungen der Plasmastruktur weisen auf eine Rotationsabhängigkeit der zugrunde liegenden Magnetfeldtopologie hin und motivieren daher direkte Messungen des Magnetfeldes in Zukunft. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 01.08.2011 | |||||||
| Dateien geändert am: | 01.08.2011 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 01.03.2011 | |||||||
| Datum der Promotion: | 27.06.2011 |
