Investigation of the influence of the ion heat flux on access to regimes of improved energy confinement in Alcator C-Mod

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle des Ionenwärmeflusses am Plasmarand für den Übergang von L-Mode zur H-Mode an Alcator C-Mod zu untersuchen. Dafür wurden ausgewählte Plasmaentladungen mit niedrigen bis mittleren Dichten mittels zeitabhängiger Leistungsbilanz untersucht. Berechnungen mit dem Transportcode TRANSP ergaben einen linearen Zusammenhang zwischen dem Ionenwärmefluss kurz vor dem L-H Übergang und der mittleren Plasmadichte. Dieses Ergebnis stimmt mit früheren Resultaten von AUG überein die besagen, dass ein kritischer Wärmestrom pro Teilchen für den Übergang notwendig ist. Der Ionenwärmefluss wurde unter der Annahme berechnet, dass bei thermischem Gleichgewicht die gesamte in den Ionenkanal deponierte Leistung durch den Plasmarand hinaus fließen muss. Durch das Addieren der von der Ionen-Cyclotron Resonanz Heizung in die Ionen deponierten Leistung zum Wärmefluss von Elektronen zu Ionen, wurde der Ionen-Wärmefluss berechnet. Die deponierte Leistung und der Wärmeaustausch wurden von TRANSP berechnet, wofür einige experimentelle Messgrößen benötigt wurden. Die wichtigsten Diagnostiken für diese Berechnungen waren Thomson-Streuungs-Spektroskopie (Elektronen Temperatur und Dichte), Electron-Cyclotron-Emissions Spektroskopie (Elektronen Temperatur) und X-Ray Imaging Crystal Spektroskopie (Ionen Temperatur). Der Vergleich mit den Ergebnissen von AUG führte zu einer einfachen Formel für den kritischen Ionenwärmefluss am Plasmarand für L-H Übergänge. Obwohl C-Mod wesentlich höhere Dichten hat als alle anderen Tokamaks, stimmen die Ergebnisse erstaunlich gut mit denen von AUG überein. Für die geplanten ITER Parameter kann man mit der gefunden Formel einen ungefähren kritischen Ionenwärmestrom für L-H Übergänge im Bereich von ≈ 38kWm-2 prognostizieren. Die etwas handlichere Größe des oberflächenintegrierten Ionenwärmestroms am Plasmarand ergibt ≈ 25MW , was sich direkt mit der geplanten ITER Heizleistung vergleichen lässt, die diesen Wert weit übersteigt.

This thesis investigates the role of the edge ion heat flux for the transitions from L-mode to H-mode in Alcator C-Mod. Several selected discharges from the low to medium density range in C-Mod were analyzed by time dependent power balance analysis using the transport code TRANSP. The ion heat flux was calculated by adding the power from the ion cyclotron resonance heating deposited in the ion channel and the electronion heat exchange. These calculations showed that the surface integrated edge ion heat flux obtained just prior to L-H transition increases linearly with line average density, which agrees with previous results from AUG. It appears, as if a critical amount of heat flux per particle is necessary for the transition. TRANSP required a variety of experimental data from several different diagnostics. The most important measurements came from Thomson scattering spectroscopy (electron temperature and density), electron cyclotron emission (electron temperature) and x-ray imaging crystal spectroscopy (ion temperature). The comparison of the results of this thesis and previous research at AUG lead to a simple linear scaling law for the critical edge ion heat flux necessary for the transition into H-mode. Although the data from C-Mod have significantly larger error bars due to the higher densities, the data from C-Mod and AUG agree remarkably well. Assuming that ITER will operate within its envisioned operating parameters, the scaling law projects an edge heat flux of ≈ 38kWm-2 (or a surface integrated edge ion heat flux of ≈ 26MW) which is well within ITER operational possibilities.