Exploring pedestal structure and stability : insights from shaping in βpol variants in ASDEX upgrade

Abstract

Zukünftige Fusionsreaktoren des Tokamak-Typs werden höchstwahrscheinlich im Hoch- Einschlussmodus (H-Mode) betrieben, einem Regime, das den Einschluss durch die Bildung eines steilen Druckgradienten am Plasmarand verbessert. Diese Randregion, die auch noch das Pedestal genannt wird, spielt eine entscheidende Rolle für die gesamte Plasmaperformance. Ein höherer Pedestaldruck führt zu einem erhöhten Druck im Kern des Reaktors, was wiederum die Fusionsreaktionsraten steigert und den Energiegewinn verbessert. Andererseits kann die in dieser steilen Gradientenregion gespeicherte freie Energie randlokalisierte Moden (Edge Localised Modes - ELMs) antreiben, die zu Energie- und Teilchenverlusten führen. Unter bestimmten Pedestalbedingungen können diese jedoch unterdrückt werden. Daher ist das Verständnis der physikalischen Mechanismen, die die Pedestalstruktur bestimmen, von zentraler Bedeutung für die Optimierung der Plasmaperformance.In dieser Arbeit wurden Experimente an ASDEX Upgrade durchgeführt, um systematisch zu untersuchen, wie die Plasmageometrie und der normierte poloidale Druck βpol das Pedestalverhalten beeinflussen. Diese Parameter wurden gewählt, da sie beide die kinetische Ballooning-Moden (KBMs) beeinflussen, die als etablierte Hypothese für die Bestimmung der Pedestalbreite gelten. Eine Reihe gezielter Entladungen wurde analysiert, die jeweils darauf ausgelegt waren, die Auswirkungen dieser beiden Größen zu isolieren. Drei Entladungen mit unterschiedlichem βpol wurden durchgeführt, wobei jede zwei Phasen mit unterschiedlichem Plasmaquerschnitt enthielt, in denen βpol konstant gehalten wurde. Dadurch ergaben sich sechs verschiedene Datensätze. Ein breites Spektrum experimentel- ler Diagnostikverfahren und rechnergestützter Methoden wurde eingesetzt, um kinetische Profile zu rekonstruieren, das magnetohydrodynamische (MHD) Gleichgewicht und die Stabilität zu bestimmen und die Transportprozesse innerhalb des Pedestals zu analysieren. Besonderes Augenmerk lag auf der Rolle lokaler idealer Ballooning-Moden (IBMs), die hier als Stellvertreter für KBMs betrachtet wurden, sowie auf den Bedingungen, die den Zugang zum zweiten Stabilitätsregime ermöglichen.Die Ergebnisse zeigen, dass die Pedestalbildung nicht durch einen einzelnen Transportmechanismus gesteuert wird, sondern durch das Zusammenspiel mehrerer Instabilitäten in verschiedenen Bereichen des Pedestals, die Dichte und Temperatur von Ionen und Elektronen unterschiedlich beeinflussen. Besonders hervorzuheben ist die stabilisierende Wirkung der lokalen magnetischen Verscherung, die KBMs unterdrückt und somit die Dich- tepedestalstruktur beeinflussen kann. Der obere Bereich des Pedestals wird weitgehend von KBMs reguliert. Sie beeinflussen sowohl die Dichte, indem sie die Pedestalbreite festlegen, als auch den turbulenten Ionentransport auf dem oberen Teil des Pedestals. Eine zentrale Erkenntnis ist, dass der Zugang zum zweiten Stabilitätsregime eine entscheidende Rolle für die Festlegung der Pedestalbreite spielt. Dies zeigt sich insbesondere im oberen Pedestalbereich, wo sich die ballonungskritischste Region radial verschiebt, abhängig davon, ob der Zugang zur zweiten Stabilität gegeben ist.Ein tiefergehendes Verständnis der mikroturbulenten Transportmechanismen wurdedurch gyrokinetische lokale lineare Simulationen mit GENE gewonnen. Diese bestätigten, dass KBMs im oberen Pedestalbereich dominieren, während ITG-Turbulenz in der äußeren Plasmakern vorherrscht. Die Simulationen zeigten außerdem, dass Shaping-Effekte primär zur Stabilisierung von KBMs beitragen, mit dem stärksten Einfluss dort, wo der Druckgradi- ent am steilsten ist – was die Bedeutung der zweiten Stabilität weiter unterstreicht. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Elektronentemperaturgradient-Moden (ETGs) im Pedestal vor- handen sind, die eine charakteristische Temperaturlängenskala vorgeben und damit die Elektronenwärmediffusivität bestimmen.Die Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit, das Pedestal als ein System miteinander verbundener, aber unterschiedlicher Komponenten zu betrachten, anstatt als ein einzelnes Druckpedestal. Die Pedestals von Ionen- und Elektronentemperatur sowie der Dichte entwickeln sich nach unterschiedlichen Mechanismen und reagieren unterschiedlich auf Shaping und Variationen von βpol. Dies legt nahe, dass globale Skalierungsgesetze möglicherweise nicht ausreichen, um das Pedestalverhalten in zukünftigen Anlagen vorherzusagen, ohne eine detailliertere, regionsspezifische Beschreibung zu berücksichtigen.In dieser Arbeit wurde eine Reihe komplementärer Analysemethoden eingesetzt, um eine solide Grundlage für zukünftige Forschungsarbeiten zu schaffen. Zukünftige Untersuchungen sollten die hier beobachteten Trends anhand eines breiteren Datensatzes validieren und deren Auswirkungen auf prädiktive Modellierungen weiter erforschen. Ein tieferes Verständnis des KBM-Verhaltens unter verschiedenen Plasmabedingungen wird entscheidend für die Optimierung der Pedestalperformance in zukünftigen Fusionsanlagen sein.

Future fusion reactors of the tokamak type will most likely operate in high-confinement mode (H-mode), a regime that enhances confinement through the formation of a steep pressure gradient at the plasma edge. This edge region, known as the pedestal, plays a crucial role in determining overall plasma performance. Higher pedestal pressure leads to increased core pressure, which in turn boosts fusion reaction rates and improves energy gain. On the other hand, the free energy stored in this steep gradient region can drive edge localised modes (ELMs), which cause energy and particle loss. These can be mitigated under specific pedestal conditions. Therefore, understanding which physical mechanisms govern the pedestal structure is crucial for optimising plasma performance.In this thesis, experiments were conducted on ASDEX Upgrade to systematically in- vestigate how plasma shape and the normalised poloidal pressure βpol influence pedestal behaviour. The parameters are selected because they both affect kinetic ballooning modes (KBMs), which are a well-established hypothesis for determining the pedestal width.A series of dedicated discharges were analysed, each designed to isolate the effects of the two quantities. Three discharges at varying βpol were conducted, each with two shaping phases where βpol is kept constant, yielding six distinct datasets. A wide range of experimental diagnostics and computational techniques were employed to reconstruct kinetic profiles, determine the magnetohydrodynamic (MHD) equilibrium and stability, and assess transport processes within the pedestal. Particular attention was given to the role of local ideal ballooning modes (IBMs), used here as a proxy for KBMs, and to the conditions enabling access to the second stability regime.The results demonstrate that pedestal formation is not governed by a single transport mechanism but rather by the interplay of multiple instabilities across different pedestal regions, affection density and temperature of ions and electrons differently. Importantly, the study highlights the stabilising role of local magnetic shear, which can suppress KBMs and thereby impact the density pedestal structure. The top of the pedestal is largely regulated by KBMs. They are shown to influence both density, setting the width of its pedestal, and turbulent ion heat transport in the pedestal top region. A key finding is that access to the second stability regime plays a decisive role in setting the pedestal width. This is particularly evident at the pedestal top, where the most ballooning-unstable region shifts radially depending on second stability access.Further insight into microturbulent transport mechanisms was obtained through local linear gyrokinetic simulations with GENE, which confirmed that KBMs dominate at the pedestal top, whereas ITG turbulence prevails in the outer core. The simulations also verified that shaping effects primarily stabilise KBMs, with the strongest impact occurring where the pressure gradient is steepest - further emphasising the role of second stability. Electron temperature gradient modes, which are thought to impose a well-defined tem- perature gradient length, determining the electron heat diffusivity, are also shown to beIIIIV present in the pedestal.The results underscore the necessity of treating the pedestal as a system of coupledbut distinct components, rather than a single pressure pedestal. Ion and electron temperature pedestals, as well as the density pedestal, evolve according to different governing mechanisms and respond differently to shaping and βpol variations. This implies that global scaling laws may be insufficient for predicting pedestal behaviour in future devices without a more detailed, region-dependent description.In this thesis, a range of complementary analytical methods are employed to provide a solid foundation for future work, which should validate the observed trends across a broader dataset and exploring their implications for predictive modelling. A deeper understanding of how KBMs behave in different plasma conditions will be crucial for optimising pedestal performance in future fusion devices.