Influence of the neutral velocity distribution on the results of pedestal transport modeling

Abstract

aDer Teilchentransport eines Plasmas spielt für die Fusionsforschung eine wichtige Rolle, da dadurch die Größe eines Fusionsreaktors festgelegt wird. Im Regime hohen Plasmaeinschlusses (H-Mode) eines Tokamak Plasmas treten normalerweise zyklische magnetohydrodynamische Instabilitäten auf, die ELMs genannt werden (Edge Localized Modes). Die H-Mode wird durch eine Randtransportbarriere (ETB) verursacht, wodurch Energie und Teilchentransport am Plasmarand reduziert werden. Durch das Auftreten eines ELM-Events werden die steilen Druckgradienten am Rand, welche das Pedestal bilden und die Plasma Profile erhöhen, flach. Der ELM-Zyklus wird durch die vollständige Wiederherstellung des Randdruckgradienten vollendet. Der ELM-Zyklus ist in klar unterscheidbare Phasen, erkennbar an den beobachteten magnetischen Moden, eingeteilt. Unmittelbar nach dem ELM-Crash kann die sogenannte stille Phase beobachtet werden, in der vergleichsweise wenige magnetische Fluktuationen auftreten. Das Auftreten von mittelfrequenz Fluktuationen charakterisiert Phase II, in der gleichzeitig ein erhöhter Transport auf den Divertor beobachtet wird. Während der Phase III, die durch das Einsetzen von hochfrequenten Fluktuationen bestimmt ist, erreicht das Plasma wieder sein Verhalten vor dem ELM. Die Berechnung des Dichtediffusionskoeffizienten D wurde während des ELM Zyklus mit dem 1.5 dimensionalen Transportalgorithmus ASTRA durchgeführt. Der Einfluss einer Neutralteilchenquelle aaufgrund von Recycling an der Plasmawand wurde berücksichtigt, wobei Energie und Dichte der Quelle varriert wurden. Vier verschieden Annahmen für die zeitliche Abhängigkeit der Neutralteilchenquelle, bezogen auf Signale am Divertor und an der Midplane, wurden getroffen. Ein Ergebnis der Untersuchng ist die Erkenntnis, dass der Diffusionskoeffizient ohne genaues Wissen der Dichte und Energie der Neutralen nicht quanitifiziert werden kann. Qualitativ zeigt sich ein erhöhter Diffusionskoeffizient nach dem ELM-Crash für alle Arten der Neutralteilchenquelle. Bei Annahme einer konstanten Quelle zeigt D nach dem ELM ein zerfallsartiges Verhalten bis pre-ELM Werte erreicht werden. Das könnte mit der Reduzierung der E x B Scherströmung im Pedestal zusammenhängen. Experimentell bestimmte niedrige Teilchenflüsse in der stillen Phase treten aufgrund niedriger Dichtegradienten anstelle eines reduzierten Transportkoeffizienten auf. In Phase II ist keine klare Schlussfolgerung möglich ohne die Neutralteilchenquelle genau zu kennen. Es kann nicht entschieden werden, ob der erhöhte Teilchentransport in dieser Phase nur von erhöhten Dichtegradienten resultiert oder auch von einer zusätzliche Erhöhung des Transportkoeffizienten. Eine allgemeine, vorsichtige Schlussfolgerung könnte jedoch sein, dass der Teilchentransport nicht von den MHD Moden, die in der Magnetsignatur des ELM Zyklus beobachtet werden können, verursacht wird.

aParticle transport in a plasma plays an important role in fusion research as it determines the dimensioning of a reactor. In the high confinement regime (H-mode) of a tokamak plasma usually repetitive magnetohydrodynamic (MHD) instabliities, so called edge localized modes (ELMs), occur. The H-mode is caused by an edge transport barrier (ETB) in which energy and particle transport is reduced. Due to an ELM event the steep pressure gradients at the edge, that form a pedestal and elevate the profiles in the core region, flatten. The ELM-cycle is closed with the full recovery of the steep edge pressure gradients. The ELM-cycle is divided into distinct phases corresponding to magnetic modes. Immediately after the ELM crash a quiet phase with comparatively low magnetic fluctuations is observed. The onset of mid-frequency fluctuations is followed which determines phase II and is accompanied by an increased particle flux onto the divertor plates. During phase III, characterized by the occurrence of high-frequency fluctuations, the plasma performance reaches pre-ELM behavior again. Calculations of the density diffusion coefficient D during this ELM cycle were performed using the 1.5 dimensional transport code ASTRA. The impact of a neutral source due to particle recycling at the vessel awall was included with varying neutral energy and density. Four different assumptions, which were correlated to signals at the divertor and midplane, were considered for the temporal behavior of the particle source. It was found that the quantification of the diffusion coefficient is not possible without accurate knowledge of the neutral energy and density in each phase of the ELM cycle. Qualitative results indicate an increased diffusion coefficient after the ELM crash, for all assumptions of the neutral source. For a constant neutral fueling D shows decay-like behavior in phase I until pre-ELM values are reached. This might originate from the reduction of the E x B flow shear in the pedestal after the ELM. Experimentally measured low particle flux in the quiet phase at the divertor is interpreted to originate from reduced density gradients instead of a reduced diffusion coefficient. In phase II no clear statement is possible without accurate knowledge of the neutral source. It cannot be decided whether the increased particle flux is due to density gradients ¿ne only, or also due to an additional increased diffusion coefficient D. This might lead to the conclusion that MHD modes, visible in the magnetics of the ELM-cycle, are not the modes which dominate particle transport.