On the origin and transport of small ELMs

Abstract

Kernfusionsreaktoren könnten einen wertvollen Beitrag zum Energiesystem der Zukunft liefern. Die momentan vielversprechendste Technologie zur Erzeugung eines brennenden Fusionsplasmas ist der Tokamak. Da die nötigen Temperaturen für die Aufrechterhaltung der Fusionsreaktionen jenseits der Hundert Millionen Kelvin liegen, die Wandmaterialien jedoch unter ihrem Schmelzpunkt bleiben sollten, gibt es in Tokamaks steile Temperatur- und dadurch auch Druckgradienten. Diese Gradienten können zu magneto-hydrodynamischen Instabilitäten führen. Betreibt man Tokamaks in der sogenannten H-Mode, bildet sich am Rand des Plasmas eine Transportbarriere aus, die den Druckgradienten noch höher werden lässt. Dort lokalisierte Instabilitäten, sogenannte ELMs, führen zu einem quasi-periodischen Einbruch der Gradienten und zu großen Wärme- und Teilchenflüssen in Richtung der Gefäßwand. In zukünftigen Fusionsreaktoren könnten besonders große Typ-I ELMs somit zu Schäden an der Reaktorwand führen. Eine vielversprechende Möglichkeit dieses Problem zu umgehen stellt der Plasmabetrieb mit kleinen ELMs dar. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Ursprungs der kleinen ELMs und die Analyse des Transports, der durch sie verursacht wird. Die ersten Kapitel beschäftigen sich mit der genauen Lokalisierung der kleinen ELMs am Fuße der Transportbarriere. Dazu werden am Tokamak ASDEX Upgrade durchgeführte Experimente gezeigt, bei denen Teilchen dem Plasma als gefrorene Deuterium-Pellets, anstatt über Gasventile zugeführt werden. Dadurch kann das Plasma effizienter befüllt und somit die Dichte im Inneren und Äußeren der Transportbarriere entkoppelt werden. Kleine ELMs und große Typ-I ELMs können gleichzeitig im Plasma vorkommen. Durch eine Formänderung des Plasmaquerschnitts kann die magnetische Verscherung des Plas- mas manipuliert und die Balance zwischen beiden ELM-Typen beeinflusst werden. Dieses Verhalten deutet darauf hin, dass es sich bei Typ-I ELMs und kleinen ELMs um unterschiedliche physikalische Phänomene handelt und Letztere sich wie sogenannte Ballooning-Moden verhalten, deren Ursprung am Fuß der Transportbarriere liegt. Sie werden vom lokalen Druckgradienten angetrieben und durch die Verscherung des Magnetfelds stabilisiert. Experimente an einem weiteren Tokamak, TCV, zei- gen, dass der Plasmabetrieb mit kleinen ELMs in einem weiten Parameterbereich funktioniert und unterstreichen die Wichtigkeit der äußersten Randdichte und der magnetischen Verscherung. Detaillierte Analysen, verschiedener auf den Plasmarand stabilisierend wirkender Mechanismen und der Vergleich mit numerischen Ballooning-Stabilitätsanalysen zeigen, dass durch die Veränderung des Plasmaquer- schnitts die sogenannte lokale magnetische Verscherung stärker beeinflusst wird als die über den Querschnitt gemittelte Verscherung. Die Ballooning-Stabilität kann dadurch geändert und die Balance zwischen kleinen und großen ELMs gesteuert werden. Mit Hilfe fortschrittlicher Plasmadiagnostiken wurde der Fuß der Trans- portbarriere genau untersucht und eine Oszillation in Zeitfenstern, die von kleinen ELMs dominiert werden, gefunden. Die Frequenz dieser Oszillation ist stark mit der Dichte der Neutralteilchen im Plasmagefäß korreliert, was darauf schließen lässt, dass der Transport normal zum Magnetfeld in Phasen mit kleinen ELMs verstärkt ist. Dieser verstärkte senkrechte Transport manifestiert sich auch in einem breiteren Wärmeflussprofil am Divertor, der Komponente der Plasmawand, die den höchsten Wärme- und Teilchenflüssen ausgesetzt ist. Durch Messung der Fluktuationen in den Strömen im Divertor kann der Wärmefluss, der durch die kleinen ELMs verursacht wird, abgeschätzt werden. Diese Fluktuationsgröße steigt nur wenig wenn das Plasma stärker geheizt wird und sinkt bei höheren Frequenzen der Oszillation am Fuß der Transportbarriere. Dieses Verhalten deutet auf einen erhöhten Transport durch hochfrequente Filamente normal zur Magnetfeldrichtung hin und könnte das breitere Wärmeflussprofil am Divertor erklären. Die in dieser Arbeit erzielten Resultate dienen als Ausgangspunkt, um Plasmaentladungen mit kleinen ELMs als vielversprechendes Szenario mit quasi-kontinuierlicher Leistungsabfuhr (QCE) und gutem Plasmaeinschluss für zukünftige Fusionsreaktoren zu etablieren.

Nuclear fusion reactors are promising contenders for changing the energy system of the future. Currently, the most tested design for generating a burning fusion plasma is the Tokamak. Since the temperatures required to maintain the fusion reactions are beyond one hundred million Kelvin, but the wall materials should remain below their melting point, there are steep temperature and therefore pressure gradients in Tokamaks. These gradients can lead to magneto-hydrodynamic instabilities. If Tokamaks are operated in the so-called H-mode, a transport barrier forms at the edge of the plasma which in turn causes the pressure gradient to become even higher. Instabilities localized there, called ELMs, lead to a quasi-periodic collapse of the gradients and to large heat and particle fluxes in the direction of the vessel wall. In future fusion reactors, large type-I ELMs in particular could thus cause damage to the reactor wall. A promising method of circumventing this problem is plasma operation with small ELMs. The aim of this work is to investigate the origin of small ELMs and to analyze the transport caused by them. The first chapters deal with the exact location of the small ELMs at the foot of the transport barrier. Experiments carried out at the ASDEX Upgrade Tokamak are shown, in which the plasma fueling mechanism was changed from gas valves to frozen deuterium pellets. This allows the plasma to be fueled more efficiently, thus decoupling the density inside and outside the transport barrier. Small ELMs and large type-I ELMs can occur simultaneously in the plasma. Changing the shape of the plasma cross-section can alter the magnetic shear of the plasma and influence the balance between the two types of ELMs. This behavior suggests that type-I ELMs and small ELMs are different physical phenomena and that the latter behave like ballooning modes whose origin is at the foot of the transport barrier. They are driven by the local pressure gradient and stabilized by the shear of the magnetic field. Experiments on a second Tokamak, namely TCV, show that plasma operation with small ELMs works in a wide parameter range and underline the importance of the outermost boundary density and magnetic shear. Detailed analyses of various stabilizing mechanisms of the plasma edge as well as the comparison with numerical ballooning stability calculations show that the variation of the plasma cross section primarily changes the so-called local magnetic shear and therefore influences the small ELM ballooning stability. Using advanced plasma diagnostics, the foot of the transport barrier was examined in detail and an oscillation was found in time windows dominated by small ELMs. The frequency of this oscillation is strongly correlated with the density of the neutral particles in the plasma vessel suggesting that transport perpendicular to the magnetic field is enhanced in phases with small ELMs. This increased vertical transport also manifests itself in a broader heat-flux profile at the divertor, the component of the plasma wall that is exposed to the highest heat and particle fluxes. By measuring the fluctuations of currents in the divertor, the heat-flux caused by the small ELMs can be estimated. This fluctuation increases only slightly when the plasma is heated more and decreases at higher frequencies of oscillation at the foot of the transport barrier. This behavior indicates increased transport through high frequency filaments perpendicular to the magnetic field direction and could explain the wider heat-flux profile at the divertor. The results obtained in this work lay the foundation for small ELMs as a promising scenario with quasi-continuous exhaust (QCE) and good plasma confinement for future fusion reactors.