Analysis of the type-I ELM duration regulation at ASDEX Upgrade

Abstract

Die H-Mode stellt einen Zustand magnetisch eingeschlossener Fusionsplasmen in Tokamaks dar und zeichnet sich durch eine Randtransportbarriere aus. Diese entspricht einem Bereich steiler Dichte- und Temperaturgradienten an einer Position innerhalb der Separatrix. Am Rand von Plasmen in der H-Mode treten quasiperiodische magneto- hydrodynamische Instabilitäten auf. Diese sogenannten ELMs führen zu Teilchen- und Energieverlusten des Plasmas, wobei die größten Verluste bei Typ-I ELMs auftreten. Die Dauer von Typ-I ELMs kann auch innerhalb derselben Plasmaentladung variieren. Dies gibt Anlass zu folgender Hypothese, welche in der vorliegenden Arbeit untersucht wird: Während eines ELMs bricht das radiale elektrische Feld Er ein, sodass dessen Betrag weniger als 15 kV/m ausmacht. Solche Werte sind typisch für die L-Mode. Folglich bricht die Randtransportbarriere, welche von der Scherung des radialen elektrischen Feldes aufrecht gehalten wird ebenso zusammen und der hohe Druck im Plasmainneren verursacht starken nach außen gerichteten Transport. Nur wenn Er einen Grenzwert überschreitet, kann die Randtransportbarriere wieder errichtet werden, sodass der starke Transport stoppt. Nimmt man dominanten neoklassischen Ionentransport an, so wird das radiale elektrische Feld durch das Verhältnis vom Ionendruckgradienten und der Dichte am Plasmarand bestimmt. Folglich reguliert der Elektronen-Ionen-Wärmeaustausch indirekt durch seinen Einfluss auf den Ionentemperaturgradienten das radiale elektrische Feld und damit auch die ELM-Längen.Im Rahmen dieser Arbeiten werden 36 Zeitintervalle aus 20 verschiedenen ASDEX Upgrade Entladungen analysiert, wobei für den Großteil hochaufgelöste Ladungsaustausch- Rekombinations- Spektroskopie- Messungen vorhanden sind. Um verschiedene Plasmagrößen am Pedestalanfang und an einer Position innerhalb der Separatrix vor und nach einerseits kurzen und andererseits langen Typ-I ELMs zu vergleichen, wird ein Algorithmus entwickelt, welcher zur Bestimmung der ELM-Start- und -Endzeiten das Diverstrom- mit dem Pick-up-Spulen-Signal kombiniert. Dieser Algorithmus wird als Submodul der Analyseumgebung FusionFit implementiert.Es werden keine Zusammenhänge zwischen dem stoßbedingten Elektronen-Ionen-Wärmefluss oder der neoklassischen Approximation vom radialen elektrischen Feld und den ELM-Längen gefunden. Außerdem wird das Verhältnis vom gesamten stoßbedingten Elektronen-Ionen-Wärmefluss und dem gesamten Ionenwärmefluss für eine Beispielentladung als 0.0046 bestimmt, was darauf hindeutet, dass der gesamte stoßbedingte Elektronen-Ionen-Wärmefluss im Vergleich zum gesamten Ionenwärmefluss vernachlässig-bar ist. Ferner fällt der Betrag des Minimums des Profils des radialen elektrischen Feldes während langer ELMs nur in 10 von 20 Fällen mit entsprechender zur Verfügung ste- hender Datenlage auf einen Wert unterhalb von 15 kV/m. Die Hypothese wird daher widerlegt. Allerdings wird ein Zusammenhang mit den ELM-Längen und sowohl dem post-ELM Minimum des radialen elektrischen Feldes, als auch dem post-ELM Turbulenzenkontrollparameter αt an einer Position innerhalb der Separatrix gefunden. Außerdem wird eine Korrelation zwischen αt innerhalb der Separatrix bezogen auf Zeitintervalle nach kurzen ELMs und den Minima von Er bezogen auf Zeitintervalle nach kurzen ELMs festgestellt. Folglich scheint ein Wechselspiel des radialen elektrischen Feldes und der Randturbulenzen beziehungsweise des -transports die ELM-Längen zu regulieren.

H-mode represents an operational mode of magnetically confined plasmas in a tokamak with enhanced confinement due to the edge transport barrier (ETB), a region of steep density and temperature gradients at a position inside the separatrix. At the edge of H-mode plasmas repetitive magnetohydrodynamic instabilities called edge localised modes (ELMs) occur. It has been shown that type-I ELMs, which cause large energy losses, vary with respect to their duration even within the same discharge. Therefore the following hypothesis is evaluated: During an ELM the absolute value of the radial electric field Er collapses to values below 15 kV/m, which are typical for L-mode. As a consequence the ETB sustained by the radial electric field shear breaks down and strong filamentary transport is driven by the high pressure in the core. Only if Er exceeds a critical value, the edge transport barrier builds up again and the strong transport stops. Assuming dominant neoclassical ion transport the radial electric field is set by the ratio of the edge ion pressure gradient and the density. Therefore the collisional electron-ion- heat-exchange qei at the separatrix sets the radial electric field indirectly through the ion temperature gradient and therefore regulates the ELM duration.In this thesis 36 temporal intervals provided by 20 ASDEX Upgrade discharges are analysed, whereby for the majority of them highly resolved charge exchange recombination spectroscopy measurements are available. In order to compare various quantities at the pedestal top and the pedestal foot before and after both long and short type-I ELMs, an algorithm is developed combining the divertor current and the magnetic pick- up current signals to determine the ELM-onset and -ending times. This algorithm is implemented as a module in the application development system FusionFit.No correlation between the collisional electron-ion-heat-exchange or the neoclassical pre- diction of the radial electric field and the ELM duration can be identified. Furthermore the ratio of the total collisional electron-ion-heat-exchange and the total ion heat flux is estimated for an exemplary discharge to be about 0.0046. This means that the total collisional electron-ion-heat-exchange can be neglected in comparison to the total ion heat flux. It is shown that only for 10 out of 20 temporal intervals with available data, during the sufficiently long ELMs the absolute value of the minimum of the radial electric field lies below the limit of 15 kV/m, which is typical for L-mode. According to these findings the hypothesis is refuted. However, for both the post-ELM minimum of the radial electric field and the post-ELM pedestal foot turbulence control parameter a relation with the ELM duration is found. Furthermore a correlation between the post- short ELM turbulence control parameter at the pedestal foot and the absolute value of the minimum of the radial electric field is identified. Therefore an interplay between the radial electric field and the edge turbulence or rather transport tends to regulate the respective ELM durations.