Dokument: Influence of resonant magnetic perturbations on transient heat load deposition and fast ion losses

Titel:	Influence of resonant magnetic perturbations on transient heat load deposition and fast ion losses
Weiterer Titel:	Einfluss von resonanten magnetischen Störungen auf transiente Wärmelasten sowie Verluste von schnellen Ionen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=30019
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20140717-091154-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Rack, Michael [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 10,82 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 14.07.2014 / geändert 14.07.2014
Beitragende:	Prof. Dr. Samm, Ulrich [Gutachter] Prof. Dr. Spatschek, Karl-Heinz [Gutachter] Prof. Dr. Martin, Piero [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Thermonuclear fusion is the energy conversion process which keeps the sun shining. For the last six decades, researchers have been investigating the physics involved in order to enable the usage of this energy supply on Earth. The most promising candidates for fusion power plants are based on magnetic confinement of plasma to provide the ideal conditions for efficient thermonuclear fusion in well controlled surroundings. One important aspect is the control of instabilities that occur in the edge region of the plasma and lead to an ejection of huge amounts of energy. Magnetic perturbation fields which are resonant in the plasma edge are found to modify the plasma favourably and reduce the impact of these instabilities. This dissertation focuses on the effects of resonant magnetic perturbation fields on the ejected energy as well as on the drawbacks of these perturbation fields. The transient energy ejection which is triggered by the instabilities causes extreme heat loads on the wall components in fusion devices. Therefore, it is crucial to understand how resonant magnetic perturbation fields affect the heat load deposition. Furthermore, the impact of resonant magnetic perturbation fields on the confinement of fast ions is an important aspect as fast ions are still required to be well confined in order to avoid additional wall loads and increase the fusion efficiency. Recent upgrades on the Joint European Torus allow for a detailed study of the heat load deposition profiles caused by transient events. Throughout this work, the new features are used for the study of the modifications of the transient heat load depositions that occur if resonant magnetic perturbation fields are applied. This leads to a further understanding of the processes involved during the plasma edge instabilities. Additionally, an alternative method using lower hybrid waves for applying resonant magnetic perturbations is investigated. Furthermore, a new diagnostic, capable of detecting fast ion losses in the presence of resonant magnetic perturbation fields, is presented. It is used to investigate the impact of various types of perturbation field, static and rotating, on the losses. The investigations of the heat load deposition profiles show important features of the resonant magnetic perturbation fields. Firstly, the heat can be favourably redistributed to reduce the local heat fluxes; secondly, a physical process is observed that appears to be linked to the heat redistribution and causes a slow propagation of a heat flux pattern long before the major energy is ejected. This opens a new view on the physics of resonant magnetic perturbation fields as it shows that processes on different time-scales are involved during the control of the plasma edge instabilities. The control of these instabilities can benefit from the new method of applying resonant magnetic perturbation fields using lower hybrid waves. This method provides high flexibility as needed to optimize the heat load redistribution. It is proven to create perturbation fields that are always resonant in the plasma edge region. In addition, it was found that no clear drawbacks appear over a wide range of perturbation fields; moreover, strong indications for an improvement of the fast ion confinement are seen. The overall results provide a positive outlook for the application of resonant magnetic perturbation fields to control edge instabilities: (a) an advantageous redistribution of transient heat loads is achievable, (b) lower hybrid waves can be used for the production of highly flexible resonant magnetic perturbation fields, and (c) resonant magnetic perturbation fields do not necessarily reduce the fast ion confinement. These results show that an optimization of the applied magnetic perturbation fields is able to solve the problem of transient heat loads without any drawbacks for the crucial fast ion confinement. Thermonukleare Fusion ist der Energieumwandlungprozess, der die Sonne strahlen läßt. In den letzten sechs Jahrzehnten haben Wissenschaftler die zugrundeliegende Physik untersucht, um eine solche Energieversorgung auch auf der Erde zu ermöglichen. Die erfolgversprechendsten Kandidaten für Fusionskraftwerke basieren auf dem magnetischen Einschluss von Plasma, um ideale Bedingungen für effektive thermonukleare Fusion in einer gut kontrollierten Umgebung herzustellen. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Kontrolle von Instabilitäten, die im Randbereich des Plasmas auftreten und zu Auswürfen von großen Energiemengen führen. Es wurde herausgefunden, dass magnetische Störfelder, die im Plasmarand resonant sind, das Plasma vorteilhaft verändern und so die Auswirkungen dieser Instabilitäten abmildern. Diese Dissertation behandelt die Effekte von resonanten magnetischen Störfeldern auf die ausgeworfene Energie sowie die Nachteile solcher Störfelder. Der stoßartige Energieauswurf, der durch die Instabilitäten ausgelöst wird, verursacht extreme Wärmebelastungen auf den Wandkomponenten in Fusionsmaschinen. Daher ist es äußerst wichtig zu verstehen, wie resonante magnetische Störfelder die Deposition der Wärmelasten beeinflussen. Außerdem ist der Einfluss von resonanten magnetischen Störfeldern auf den Einschluss von schnellen Ionen ein wichtiger Aspekt, da schnelle Ionen weiterhin gut eingeschlossen sein müssen, um zusätzliche Wandbelastungen zu verhindern und die Fusionseffektivität zu steigern. Kürzliche Verbesserungen am Joint European Torus erlauben eine detaillierte Untersuchung von Wärmelastdepositionsprofilen, die durch die stoßartigen Ereignisse verursacht werden. In dieser Arbeit wurden die neuen Möglichkeiten genutzt, um die Modifikationen der kurzlebigen Wärmelastdepositionen zu untersuchen, die auftreten, wenn resonante magnetische Störfelder verwendet werden. Dies führt zu einem tieferen Verständnis der beteiligten Prozesse während der Plasmarandinstabilitäten. Zusätzlich wird eine alternative Methode zur Erzeugung von resonanten magnetischen Störfeldern, unter Verwendung der unteren Hybridresonanzen, untersucht. Außerdem wird eine neue Diagnostik vorgestellt, die zur Detektion von Verlusten schneller Ionen in der Gegenwart von resonanten magnetischen Störfeldern geeignet ist. Sie wird verwendet, um den Einfluss unterschiedlicher Arten von Störfeldern, statische und rotierende, auf die Verluste zu untersuchen. Die Untersuchungen der Wärmelastdepositionsprofile zeigen interessante Eigenschaften der resonanten magnetischen Störfelder. Zum einen kann die Wärme gewinnbringend umverteilt werden, um den lokalen Wärmefluß zu reduzieren, zum anderen wurde erstmalig ein physikalischer Prozess beobachtet, der mit der Umverteilung der Wärme verbunden zu sein erscheint und zu langsam propagierenden Wärmeflußstrukturen führt, die lange vor dem Hauptenergieauswurf auftreten. Dies eröffnet einen neuen Blick auf die Physik von resonanten magnetischen Störfeldern, da es zeigt, dass Prozesse mit verschiedenen Zeitskalen bei der Kontrolle von Plasmarandinstabilitäten involviert sind. Die Kontrolle dieser Instabilitäten kann von der neuen Methode zum Erzeugen resonanter magnetische Störfelder unter Verwendung der unteren Hybridresonanzen profitieren. Diese Methode stellt eine hohe Flexibilität zur Verfügung, so wie es für die Optimierung der Wärmelastumverteilung benötigt wird. Es wird gezeigt, dass sie Störfelder erzeugt, welche stets im Plasmarandbereich resonant sind. Zusätzlich wurde gefunden, dass in einem weiten Bereich von Störfeldern keine klaren Nachteile entstehen, vielmehr gibt es starke Indizien dafür, dass eine Verbesserung des Einschlusses von schnellen Ionen auftritt. Die gesamten Ergebnisse geben einen positiven Ausblick auf die Verwendung von resonanten magnetischen Störfeldern für die Kontrolle von Randinstabilitäten: (a) eine vorteilhafte Umverteilung der stoßartigen Wärmebelastungen ist erreichbar, (b) die unteren Hybridresonanzen können verwendet werden um hochflexible resonante magnetische Störfelder zu erzeugen und (c) resonante magnetische Störfelder reduzieren nicht notwendiger Weise den Einschluss von schnellen Ionen. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine Optimierung der verwendeten magnetischen Störfelder möglich ist, um die Probleme von stoßartigen Wärmebelastungen zu lösen ohne Nachteile für den wichtigen Einschluss von schnellen Ionen.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	17.07.2014
Dateien geändert am:	17.07.2014
Promotionsantrag am:	19.05.2014
Datum der Promotion:	11.07.2014