Dokument: Plasma-beta effects on the island divertor of Wendelstein 7-X
| Titel: | Plasma-beta effects on the island divertor of Wendelstein 7-X | |||||||
| Weiterer Titel: | Plasmabetaeffekte auf den Inseldivertor von Wendelstein 7-X | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=56370 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20211130-112153-1 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Knieps, Alexander [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Pretzler, Georg [Gutachter] Prof. Dr. Liang, Yunfeng [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Wendelstein 7-X, MHD Equilibrium, Island Divertor | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Das wesentliche Ziel des Wendelstein 7-X Stellaratorexperiments ist die Demonstration von Dauerstrichbetrieb mit Hochleistungsplasmen vergleichbar mit denen eines ähnlich großen Tokamaks. Zur Unterstützung der Szenarioentwicklung im Zuge der bevorstehenden Langpuls-Kampagne wurden drei seiner magnetischen Konfigurationen (Die “Standard”-, “High-Iota”- und “Low-Iota”-Konfiguration) auf ihre Empfindlichkeit gegenüber Plasma-Beta-Effekten auf ihren Randmagnetfeldtopologie untersucht. Diese Untersuchung studierte, mittels Anwendung des HINT-Codes, die Empfindlichkeit der Randfelder gegenüber Änderungen des zentralen und des volumengemittelten Plasmabetas (bis hin zu Werten von 5\% respektive 2.5\%). Anschließend wurden, basierend auf den Gleichgewichtsrechnungen, die zu erwartenden Effekte auf die Divertor-Wärmelasten mit einem Feldlinien-Diffusions-Code simuliert.
Laut den Simulation ist die magnetische Standardkonfiguration, in Bezug auf den Hoch-Beta-Betrieb, die vielversprechendste der drei untersuchten Kandidatinnen. Selbst in den berechneten Szenarien mit höchstem Beta bleibt in dieser Konfiguration die Magnetfeldtopologie des Inseldivertors erhalten. In der “High-Iota”-Konfiguration dagegen geht diese Struktur aufgrund von Randschichtstochastisierung verloren. Dieses Phänomen wird von punktuellen Wärmelastspitzen auf plasmaexponierten Teilen außerhalb des Divertors begleitet. In der “Low-Iota”-Konfiguration dagegen werden die \nicefrac{5}{6}-Divertorinseln mit zunehmendem volumengemittelten Beta verkleinert, was einen Übergang in eine limiterartige Konfiguration nach sich zieht. Dieser Übergang wird von beträchtlichen Wärmelasten außerhalb der Divertorprallplatte, sowie von einem Wechsel der Wärmelastform auf der Prallplatte von einer divertor-typischen Linienform zu einer Limiter-artigen Kreisform, begleitet. Die Gleichgewichtsrechnungen wurden auf drei Arten in Standardkonfiguration validiert. Zum einen wurde das berechnete Magnetfeld mit den Messungen einer eigens zu diesem Zweck entwickelten verfahrbaren Magnetsonde verglichen. Zum anderen wurde die 3D-Druckverteilung des berechneten Gleichgewichts mit experimentell gemessenen Profilen der Elektronen- und Ionen-Plasmaparameter verglichen. Zu diesem Zweck wurde ein neuartiges, mit Machine-Learning-Methoden arbeitendes, Verfahren entwickelt, welches die Messpunkte in eine Profilkoordinate abbildet, die mit der Struktur der Wendelstein 7-X-Randinseln übereinstimmt. Zu guter Letzt wurden die Wärmelastsimulationen direkt mit Infrarot-Kamera-Messungen der Divertor-Wärmelasten im Experimentbetrieb verglichen.The Wendelstein 7-X Stellarator experiment aims to demonstrate steady-state operation in high-performance plasmas comparable to similarly-sized Tokamaks. To support the scenario development for its up-coming long-pulse campaign, three of its magnetic configurations (the standard-, high-iota- and low-iota- configuration) were investigated for their susceptibility to plasma-beta driven effects on their edge magnetic field topology. This investigation, performed using the HINT code, studies the edge magnetic field sensitivity against changes in both central and volume-averaged plasma beta (up to 5\% and 2.5\%, respectively). Based on the calculated equilibria, expected effects on the divertor heat-loads were then simulated with a field-line diffusion code. Simulations indicate that the standard magnetic configuration is the most promising of the three candidate configurations for high-beta operation. In the standard configuration, the island divertor topology prevails even in the highest-beta cases. Conversely, in the high-iota configuration, the island magnetic surface structure is lost due to stochastization in the edge, a phenomenon accompanied by hot-spots on plasma-facing components outside the divertor. In the low-iota configuration, the \nicefrac{5}{6} divertor islands were found to shrink away with increasing volume-averaged beta, resulting in a transition towards a limiter-like edge configuration. This transition is accompanied by substantial heat-loads outside of the main divertor plate, as well as a transition from the strike-line pattern typical for a divertor configuration towards a limiter-like heat spot on the main divertor target. The validity of the finite-beta calculation was benchmarked experimentally in the standard configuration by three approaches. Firstly, the calculated magnetic fields were compared to direct magnetic field measurements performed with a purpose-built reciprocating magnetic probe. Secondly, the 3D equilibrium pressure distribution was compared to experimental profile measurements for electron and ion plasma parameters. For this purpose, a novel machine-learning-based system was developed to map the diagnostic observations onto flux surface labels compatible with the edge island structure of Wendelstein 7-X. Finally, the heat-load simulations were directly compared to infra-red camera measurements of the divertor heat-loads. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 30.11.2021 | |||||||
| Dateien geändert am: | 30.11.2021 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 03.11.2020 | |||||||
| Datum der Promotion: | 19.01.2021 |
