Temporal behavior of the plasma edge density throughout the L-H transition in ASDEX Upgrade

Abstract

Die Effizienz von zukünftigen Fusionskraftwerken hängt vom Produkt aus Plasmadichte, -temperatur und Einschlusszeit ab. Die H-mode (lange Einschlusszeit) ist das vorgesehene Szenario für ITER. Die H-mode zeichnet sich, aufgrund einer Transportbarriere durch steile Gradienten in den kinetis- chen Profile am Plasmarand aus. Im Vergleich zur L-mode (kurze Einschlusszeit) erhöht diese Transportbarriere die Energie- und Teilcheneinschlusszeit um einen Faktor 2. Besonders interes- sant ist die Änderung des Teilchentransportes w ährend des Überganges von L-mode zu H-mode (L-H Übergang).<br />Am ASDEX Upgrade Tokamak wird routinemäßig die Lithiumstrahlemissionsspektroskopie (Li-BES) verwendet um die Elektronendichte in der Plasmarandschicht zu bestimmen. Das Elektronendichteprofil wird aus der Emission entlang des Strahles berechnet, welche durch Stöße der Plasmateilchen mit den Atomen des Lithiumstrahles verursacht wird. Um die zeitliche Entwicklung der Plasmaranddichte mit hoher zeitlicher Auflösung zu untersuchen, wurde die Lithiumstrahldiag- nostik im Laufe der Doktorarbeit signifikant verbessert. Unter anderem wurde ein neues Chopper System fertiggestellt, ein neues Daten Akquisition System und ein neues optisches System inklusive eines Photomultipliersystems installiert.<br />Das verbesserte Li-BES System ermöglichte eine genaue Studie der Plasmaranddichte während und nach dem L-H Übergang. Es wurde festgestellt, dass die saturierte Randdichte nach dem L-H Übergang mit der vor dem Übergang vorhandenen Neutralgasdichte im Divertor korreliert. Obwohl der Dichteaufbau nach dem L-H Übergang mit dem vorhanden Neutralgasreservoir variiert, ist die anfängliche Entwicklung des Dichtegradienten am Rand gleich. Dies deutet darauf hin, dass die Formierung der Randtransportbarriere in den analysierten H-mode Phasen ähnlich ist. Eine Teilchentransportstudie zeigte, dass der Dichteaufbau mit der Annahme einer rein diffusiven Transportbarriere gut reproduzierbar ist. Weiters war es nicht möglich diese diffusive Transportbarriere mit einer in Richtung Plasma gerichteten Konvektion (Pinch) zu ersetzen. Eine Kombination aus diffusiven Transportbarrier und Pinch konnte nicht ausgeschlossen werden. Aufgrund der hohen Unsicherheit der Teilchenquelle, konnte der exakte Wert für einen solchen Pinch nicht ermittelt werden. Aber es konnte mit der Annahme, dass die Teilchenquelle null ist, eine Obergrenze bestimmt werden.<br />Aufgrund der Verbesserungen der Li-BES Diagnostik, konnte nicht nur die Dynamik während des L-H Überganges untersucht werden, sondern auch die Dynamik während des H-L Überganges. Die Analyse der Elektronenranddichte und -temperatur ergab, dass beide Übergänge bei ähnlichem Randdruck erfolgen. Dies deutet darauf hin, dass der durch das radiale elektrische Feld induzierte Scherfluss bei beiden Übergängen eine Rolle spielt.<br />Weiters, ist es ein Hinweis, dass es keine oder eine kleine Hysterese des L-H und H-L Zyklus in den kinetische Daten gibt.<br />Die Aufrüstung der Li-BES Diagnostik ermöglichte weiters die Messung von Dichtefluktuationen. Studien zeigten, dass das Li-BES System sehr geeignet ist um Dichtefluktuationen in der Abschälschicht zu charakterisieren. Aufgrund der Strahlabschwächung nimmt die Sensitivität und Zuverlässigkeit in Richtung des Plasmas ab. Dies wurde mit einer Sensitivitätsstudie und in einem Vergleich mit anderen Diagnostiken gezeigt.<br />

The performance of future fusion devices depends on the triple product of plasma density, temperature and confinement time. The high confinement mode (H-mode) regime is the foreseen scenario for ITER. It is characterized by a transport barrier causing steep gradients in the edge kinetic profiles, which increases the energy and particle confinement time by a factor of two in comparison to the low confinement mode (L-mode). Particularly, the change of particle transport throughout and after the transition from L-mode to H-mode (L-H transition) is of great interest.<br />At the medium-sized tokamak ASDEX Upgrade, the lithium beam emission spectroscopy (Li-BES) is routinely used to measure edge electron density profiles. It is based on the reconstruction of electron density profiles from the Li I emission profile due to electron impact excitation of an injected neutral lithium beam. To characterize the temporal behavior of the plasma edge density during and after the L-H transition, significant improvements of the diagnostic have been finalized during this PhD thesis, e.g. a new chopping system, new data acquisition system and a new optical observation system with a refurbished photomultiplier system (about 100 times more photon yield).<br />The upgraded Li-BES system allowed the plasma edge density to be studied throughout and after the L-H transition. It was found that the H-mode density saturates at a level, which correlates with the neutral gas density in the divertor prior to the L-H transition. Although the density build-up varies with the available deuterium inventory, the initial increase in the edge density gradient is similar. This indicates that for the analyzed H-mode phases, the edge transport barrier (ETB) in particle transport evolves similarly. The particle transport analysis of the density build-up after the L-H transition showed that it is well reproduced by assuming only a diffusive ETB with reduced diffusion coefficient at the edge. A strong inward directed convective velocity (edge pinch), which fully replaces the diffusive ETB, could be excluded.<br />An additional edge pinch to diffusive ETB could not be excluded. Due to high uncertainties in the neutral source, it was not possible to determine the exact value of such a pinch, but an upper limit was determined by setting the source to zero.<br />Not only the dynamics of the L-H transition, but also the dynamics of the H-L transition could be investigated because of the enhancements of the Li-BES diagnostics. The analysis of electron density and temperature profiles during the L-H and H-L transitions indicates that both occur at similar edge pressures within the analyzed density range. This might be related to a critical electric field induced shearing rate for both directions. Furthermore, it indicates that the hysteresis of the L-H and H-L cycle might be not a feature of the edge condition.<br />The new improvements of the Li-BES system enabled us not only to evaluate electron density profiles, but also density fluctuations. These studies showed that the Li-BES system is well suited to characterize density fluctuation measurements in the scrape off layer (SOL), whereas its sensitivity and reliability decrease towards the plasma core. This could be shown by a sensitivity study and a comparison to other diagnostics.<br />