Plasma edge profiles and their stability in the X-point radiator regime at the ASDEX upgrade tokamak

Abstract

Die derzeitige Forschung konzentriert sich auf einen möglichen Betriebsmodus für zukünftige Fusionsanlagen (welche auf dem magnetischem Einschluss Prinzip basieren), der durch die Entwicklung einer Randtransportbarriere (ETB), auch genannt “Pedestal”, hervorragende Fusionsbedingungen bietet. Diese ETB bewirkt, dass die Plasmaparameter von der Separatrix aus rasch ansteigen und steile Gradienten bilden. Die steilen Randgradienten in der Hocheinschlussmode (H-Mode) führen wiederum zu großen magnetohydrodynamischen (MHD) Instabilitäten, wie z. B. lokalisierten Randmoden (ELM), welche große Energiemengen explosionsartig ausstoßen und daher ein Problem für die Langlebigkeit der plasmazugewandten Komponenten darstellen. Ein weiteres Problem ist der hohe Leistungsfluss aus dem Plasma, der in den Divertor geleitet wird, welcher dort auf eine lediglich kleine Fläche trifft und somit eine Leistungsbelastung von > 10MW/m2 erzeugt, die die derzeitigen Materialgrenzen überschreitet.Ein Phänomen, das bei ASDEX Upgrade untersucht wird, ist der X-Punkt-Strahler (XPR), ein kleines, poloidal lokalisiertes Strahlungsvolumen, das sich oberhalb des X-Punkts und innerhalb des eingeschlossenen Bereichs befindet. Der XPR wird durch das Einblasen von Verunreinigungen erzeugt - seine Position lässt sich aktiv steuern. Die Strahlung des XPR beträgt etwa 95-100% der eingeführten Leistung, wodurch der Leistungsabfall und die Temperatur im Divertor erheblich reduziert werden, was einen sicheren Betrieb ermöglicht. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das Plasma bei einer XPR-Höhe von 7 cm über dem X-Punkt ELM-frei ist bei lediglich milder Plasmaeinschlussverminderung. Dies eröffnet die Möglichkeit eines Betriebsmodus, in dem das Plasma sicher und innerhalb der Material- grenzen betrieben werden kann.Ein Ziel dieser Arbeit war es, die Veränderung verschiedener Plasmaparameter in Abhängigkeit von der XPR-Höhe zu untersuchen. Die Analyse konzentrierte sich auf die Randprofile und deren Gradienten, da bekannt ist, dass diese einen großen Einflusses auf den Einschluss haben. Die andere Aufgabe bestand darin, die Peeling-Ballooning-Stabilität (PB) der Randprofile zu untersuchen, wenn das Plasma einen ELM-freien Zustand erreicht.Während der gesamten Analyse wurden insgesamt 95 Zeitfenster von je 225 ms Länge in 7 Entladungen für die Datenbank ausgewählt. Die Wahl wurde auf Entladungen mit 800 kA bei 2.5 T beschränkt, da bei diesen Werten die größte Auswahl an Entladungen mit einem XPR existiert. Die Messungen mehrerer Elektronen- und Ioneneigenschaftsdiagnosen wurden in einem standardisierten Ansatz zur integrierten Datenanalyse (IDA) kombiniert um folglich die Plasmaparameterprofile zu erstellen. Die anschließende Analyse der Plasmaparameter bestand aus der Untersuchung des Plasmaparameters (X ), seines Gradienten (∇X ) und der Gradientenlänge (X /∇X ) und deren Verhalten auf die XPR-Höhe in vier verschiedenen Unterregionen im radialen Bereich ρpol∈ [0,7−1]. Um einen besseren Vergleich zu gewährleisten, wurden die Werte bei einer XPR-Höhe von 0 cm als Referenzwert gewählt. Im Rahmen der MHD-Stabilitätsanalyse wurden mit den Codes HELENA und MISHKA Berechnungen zur Ballon- und PB-Stabilität durchgeführt.Die Untersuchung ergab, dass das Elektronen- und Ionentemperaturprofil im Pedestal linear mit der XPR-Höhe abnimmt und dass der Übergang vom ELMy- zum ELM-freien Regime ohne signifikante Änderung des Verhaltens erfolgt. Obwohl sich die Werte des Pedestals verschlechtern, können sich die Profile innerhalb der untersuchten Region aufgrund von Änderungen der Gradienten der Bereiche innerhalb des Pedestal erholen. Dies gilt jedoch nur bis zu einer XPR-Höhe von etwa 7 cm, danach sinkt das Werte unter jene der Referenz ab. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Elektronendichte bei einer XPR-Höhe von 4-5 cm ihren Höhepunkt erreicht, was mit einem teilweisen “Detachments” des Divertors zusammenfällt. Die MHD-Analyse kann das Verschwinden der ELMs aufgrund der Abnahme des experimentellen normalisierten Pedestaldruckgradienten unter seinen kritischen Wert und der anschließenden Verschiebung des Betriebspunkts im MHD-Stabilitätsphasenraum weg von der Ballongrenze hin zum stabilen Bereich bestätigen und erklären.

Current research focuses on a possible future operating mode for magnetic confinement fusion devices that features excellent fusion conditions through the development of an edge- transport barrier (ETB), also called pedestal. The ETB causes plasma parameters to increase rapidly inwards from the plasma edge, forming steep gradients. These steep edge gradients in the high-confinement mode (H-mode) in turn feed magnetohydrodynamic (MHD) instabilities like edge localised modes (ELM) which expel large amounts of energy in a burst-like manner and therefore pose a threat for the longevity of the plasma-facing components. The high power flux exiting the plasma and funnelled into the divertor where it connects over a small area with the targets is predicted to generate a power load of >10MW/m2, exceeding current material limits.A phenomenon that is being studied at the ASDEX Upgrade tokamak is the X-point radi- ator (XPR) which is a small, poloidally localised radiating volume situated above the X-point and inside the confined region. The XPR is developed through means of large gas puff fuelling and impurity seeding, and its position can be actively controlled. The radiation has a power fraction of around 95-100%, hence substantially reducing the power exhaust and the temperature in the divertor, allowing for divertor detachment and a safe operation. In addition, it was discovered that the plasma can enter an ELM-free regime with negligible plasma degradation if the XPR height exceeds a certain threshold. This opens up the possibility of a scenario in which the plasma could be operated safely and within material limits.One aim of this thesis was to study the change in various plasma parameters with respect to the XPR height. The analysis focused on the edge profiles and their gradients, because of their known influence on the confinement. The other task was to investigate the peeling- ballooning (PB) stability of the edge profiles as the plasma becomes ELM-free.Throughout the analysis, a total of 95 time windows of 225 ms length of 7 discharges were selected for the database. The selection of discharges was limited to 800 kA at 2.5 T, as the largest range of XPR positions could be achieved experimentally in this configuration. The measurements of several electron and ion property diagnostics were utilised in a standard- ised integrated data analysis (IDA) approach to generate the plasma parameter profiles. The subsequent plasma parameter analysis consisted of examining the plasma parameter (X ), its gradient (∇X ) and gradient length (X /∇X ) and their behaviour on the XPR height in four different subregions in the radial region ρpol∈ [0.7 − 1]. For better comparison the reference value was determined at an XPR height of 0 cm. In terms of the MHD stability analysis, the codes HELENA and MISHKA provided calculations on the ballooning and PB stability.The investigation showed that the electron and ion temperature profile in the pedestal decrease linearly with XPR height and that the transition from ELMy to ELM-free regime is without significant change in behaviour. Although the pedestal degrades, the profiles are able to recover within the investigated region due to changes in gradients inside the pedestal. This was found to only hold true up to an XPR height of around 7 cm after which the plasma degrades below the reference. In addition, it was discovered that the electron density peaked at an XPR height of 4-5 cm, coinciding with a partial detachment of the divertor. The MHD analysis can confirm and explain the disappearance of ELMs due to the decrease of the experimental normalised pedestal pressure gradient below its critical value and the subsequent shift of the operational point in the MHD stability phase space away from the ballooning boundary towards the stable region.