Dokument: Runaway Electrons in Disrupions and Perturbed Magnetic Topologies of Tokamak Plasmas

Titel:	Runaway Electrons in Disrupions and Perturbed Magnetic Topologies of Tokamak Plasmas
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=22988
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20121026-131219-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Forster, Michael [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 42,73 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 25.10.2012 / geändert 25.10.2012
Beitragende:	Prof. Dr. Willi, Oswald [Gutachter] Prof. Dr. Samm, Ulrich [Gutachter] Prof. Dr. Klinger, Thomas [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Nuclear fusion represents a valuable perspective for a safe and reliable energy supply from the middle of the 21st century on. Currently, the tokamak is the most advanced principle of confining a man-made fusion plasma. The operation of future, reactor sized tokamaks like ITER faces a crucial difficulty in the generation of runaway electrons. The runaway of electrons is a free fall acceleration into the relativistic regime which is known in various kinds of plasmas including astrophysical ones, thunderbolts and fusion plasmas. The tokamak disruption instability can include the conversion of a substantial part of the plasma current into a runaway electron current. When the high energetic runaways are lost, they can strike the plasma facing components at localised spots. Due to their high energies up to a few tens of MeV, the runaways carry the potential to reduce the lifetimes of wall components and even to destroy sensitive, i.e. actively cooled parts. The research for effective ways to suppress the generation of runaway electrons is hampered by the lack of a complete understanding of the physics of the runaways in disruptions. As it is practically impossible to use standard electron detectors in the challenging environment of a tokamak, the experimental knowledge about runaways is limited and it relies on rather indirect techniques of measurement. The main diagnostics used for this PhD work are three reciprocating probes which measure the runaway electrons directly at the plasma edge of the tokamak TEXTOR. A calorimetric probe and a material probe which exploits the signature that a runaway beam impact leaves in the probe were developed in the course of the PhD work. Novel observations of the burst-like runaway electron losses in tokamak disruptions are reported. The runaway bursts are temporally resolved and first-time measurements of the corresponding runaway energy spectra are presented. A characteristic shape and typical burst to burst variations of the spectra are found. The radial decay of the runaways is studied and approximated by an exponential distribution. Deriving from the measurements, resistive tearing modes or kink modes are suggested to trigger the formation of the bursts. Measurements of the total runaway electron energy are carried out using the calorimeter probe during induced TEXTOR disruptions. The dependencies of the runaway energy on the runaway current, the radial probe position, the toroidal magnetic field and the predisruptive plasma current are studied. The conversion efficiency of the magnetic plasma energy into runaway energy is estimated. The losses of runaways due to resonant magnetic perturbation fields are measured applying a scintillator probe. The effects of well defined amplitudes of the perturbation on the temporal evolution of the runaway losses and the spectral properties of the runaways are analysed. The runaway transport towards the plasma edge is described by a model which takes magnetic turbulences and the magnetic perturbation field into account. Using an asymptotic theory, the orbits as well as radially and energy dependent transport coefficients for the runaways are calculated. A diffusion equation which utilises the coefficients is solved delivering the density and the flux of the runaways. The model reproduces the measured enhancement of the runaway losses. Qualitatively different runaway spectra are found inside the plasma and at the edge. The spectra are explained by estimations of the competition between the secondary generation rate of the runaways and their radial diffusion. The runaway transport is found to be determined by the magnetic turbulence, the magnetic topology at the edge as well as inside the plasma and by the runaway energy. The mitigation of the runaways due to the magnetic perturbations can be understood by the enhancement of the losses of the low energy runaways. Eventually, a self consistent understanding of the temporal and spectral properties of the runaway transport due to the resonant magnetic perturbations is achieved. As the spectra and the energy of the runaways determine the penetration depths, the possible wall damages and the lifetimes of wall components, the results presented in this thesis will have an impact on the design of the plasma facing components of future fusion devices. The insights obtained about the runaway bursts suggest new physics in postdisruptive tokamak plasmas. Moreover, the results will improve the understanding of the physics of the runaways in disruptions and hence help to develop effective runaway mitigation techniques. The runaway transport study presented enables an understanding of the effect of resonant magnetic perturbations which are being tested as a runaway mitigation scheme on many tokamaks. Die Kernfusion stellt eine wertvolle Perspektive für eine sichere und verlässliche Energieversorgung von der Mitte des 21. Jahrhunderts an dar. Derzeit ist das Tokamakprinzip die erfolgreichste und am weitesten entwickelte Option zum Einschluss eines von Menschenhand erzeugten Fusionsplasmas. Für den Betrieb zukünftiger Tokamaks von Reaktorgröße wie ITER es sein wird kann die Erzeugung von Runawayelektronen ein entscheidendes Problem darstellen. Der Runaway von Elektronen meint die zunehmend ungebremste Beschleunigung auf relativistische Geschwindigkeiten wie sie in den unterschiedlichsten Arten von Plasmen, darunter astrophysikalische Plasmen, Gewitterblitze und Fusionsplasmen, bekannt ist. Die Disruption von Tokamakentladungen kann zur Konversion eines erheblichen Teils des Plasmastroms in einen Runawayelektronenstrom führen. Verlassen die hochenergetischen Runaways den Plasmaeinschluss, treffen sie typischerweise auf Benetzungsflächen der Wandkomponenten, die nur einige 10cm² groß sind. Da sie Energien von einigen 10MeV erreichen können, haben die Runaways das Potential die Lebensdauern von Wandkomponenten erheblich zu verringern und sogar aktiv gekühlte Teile zu zerstören. Die dringende Suche nach Optionen zur Unterdrückung oder Vermeidung der Runawayerzeugung wird dadurch erschwert, dass die Physik der Runaways in Disruptionen bis heute nicht vollständig verstanden ist. Da Standardetektoren für Elektronen wie sie in der Elementarteilchenphysik eingesetzt werden in der Hochtemperatur- und Hochmagnetfeldumgebung eines Tokamaks nicht einsetzbar sind, stützt sich die experimentelle Runawayforschung auf indirekte Messmethoden. Dies limitiert die messbaren Größen entsprechend. Für die Messungen zu dieser Dissertation wurden drei verschiedene Typen von Sonden eingesetzt, um die Runaways am Plasmarand des Tokamaks TEXTOR direkt zu messen. Eine kalorimetrische Sonde und eine Materialsonde, die durch die Runaways verursachte Beschädigungen ausnutzt, wurden speziell im Rahmen des Doktorats entwickelt. Neuartige Ergebnisse über die burst-artigen Runawayverluste in Tokamakdisruptionen werden vorgestellt. Es ist gelungen, die Runawaybursts zeitlich aufzulösen sowie zum ersten mal die zugehörigen Energiespektren der Runaways zu messen. Eine charakteristische Form der Spektren und typische Schwankungen von Burst zu Burst wurden gefunden. Der radiale Abfall des Runawaystrahls wird untersucht und als exponentiell beschrieben. Aus der Analyse der Messdaten ergeben sich zwei Kandidaten als Verursacher der Runawayburstbildung: resistive Tearingmoden und Kinkinstabilitäten. Mit Hilfe der Kalorimetersonde wurde die Gesamtenergie der Runaways in TEXTOR-Disruptionen gemessen. Die Abhängigkeiten der Gesamtenergie vom Runawaystrom, der radialen Sondenposition, dem toroidalen Magnetfeld und dem Plasmastrom vor der Disruption werden untersucht. Eine Szintillationsdetektorsonde wurde benutzt, um die Runawayverluste unter dem Einfluss von resonanten, magnetischen Störfeldern zu messen. Die Auswirkungen wohldefinierter Amplituden der Störungen auf die zeitliche Entwicklung der Runawayverluste werden analysiert. Der radiale Runawaytransport zum Plasmarand wird unter Einbeziehung der magntischen Turbulenzen sowie der magnetischen Störfelder modelliert. Mit Hilfe einer asymptotischen Theorie werden die Trajektorien der Runaways sowie deren radius- und energieabhängige Transportkoeffizienten berechnet. Die Koeffizienten werden in einer Diffusionsgleichung verwendet, deren Lösung zu der Dichte und dem Fluss der Runaways führt. Mit dem Modell gelingt es, die gemessene Erhöhung der Runawayverluste durch die Störfelder zu reproduzieren. Die qualitativ unterschiedlichen Runawayspektren im Plasmainneren und am Rand werden durch das Zusammenspiel des sekundären Runawayerzeugungskanals sowie der radialen Diffusion erklärt. Die Unterdrückung der Runaways durch die Anwendung der magnetischen Störfelder kann durch die Erhöhung der Verluste der niederenergetischen Runaways verstanden werden. Der Runawaytransport ist im Wesentlichen durch die magnetische Turbulenz, die Magnetfeldtopologie am Rand sowie im Plasmainneren und durch die Energie der Runaways bestimmt. Ein selbstkonsistentes Bild der zeitlichen sowie der spektralen Eigenschaften des Runawaytransports durch resonante, magnetische Störfelder wird erreicht. Da die Spektren und die Gesamtenergie der Runawayelektronen ihre Eindringtiefe, die möglichen Schäden an Wandkomponenten und deren Lebensdauern festlegen, werden die Ergebnisse in dieser Dissertation einen Einfluss auf das Design zukünftiger Fusionsmaschinen haben. Die dargestellten Erkenntnisse legen neue physikalische Prozesse im postdisruptiven Tokamakplasma nahe. Darüberhinaus werden die Ergebnisse das Verständnis der Runawayphysik in Disruptionen verbessern und somit die Entwicklung effektiver Runawayunterdrückungsmechanismen fördern. Die Studie über den Runawaytransport ermöglicht bereits ein besseres Verständnis der Wirkungsweise resonanter, magnetischer Störfelder, die derzeit an vielen Tokamaks zur Runawayunterdrückung erforscht werden.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:	26.10.2012
Dateien geändert am:	26.10.2012
Promotionsantrag am:	04.06.2012
Datum der Promotion:	16.10.2012