Divertor and pedestal dynamics in between edge localized modes at ASDEX Upgrade

Abstract

Zukünfitge Kernfusionsanlagen wie ITER und DEMO sollen in der H-mode (high confinement mode) betrieben werden. Dieser Betriebsmodus zeichnet sich durch hohe Druck-, Temperatur- und Dichtegadienten am Plasmarand aufgrund des Auftretens der Randtransportbarriere (ETB) aus. Dies führt wiederum zu erhöhtem Druck, Temperatur und Dichte im Inneren des Plasmas. Jedoch treten in diesem Betriebsmodus sogenannte ELMs (edge localized modes) auf, die zur Zerstörung der ETB und dadurch zu flachen Gradienten am Plasmarand führen. Dies hat zur Folge, dass Teilchen aus dem Plasmarand auf die Gefäßwand und die Divertoren fliegen. Das Verständnis der darauf folgenden Entwicklung bis zur Wiederherstellung der ETB ist von großer Bedeutung, da diese Einsicht in die dominanten Transportprozesse in der ETB gibt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die ETB und das zeitaufgelöste Verhalten des inneren und äußeren Divertors bei unterschiedlichen Deuterium Neutralgasraten untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Entwicklung der Elektronendichte und -temperatur an der Mittelebene nach dem ELM mit der Dichte- und Temperaturentwicklung am äußeren Divertor und mit Fluktuationen an der Mittelebene zusammenhängt. Eine deutliche Korrelation zwischen der Dichte- und Temperä turentwicklung des äußeren und inneren Divertors ist nicht zu erkennen. Die simultane, ELM synchronisierte Betrachtung der Mittelebe, des äußeren Divertors und der Fluktuationen führen zu einem Modell, bei dem die Rate des Dichteanstiegs an der Mittelebene als Balance des Zwischenspiels von Teilchenausstoß durch magnetische Turbulenzen und einer lokalen Ionisationsquelle innerhalb der Separatrix gesehen werden kann. Dabei kann der zweite Elektronendichteanstieg am äußeren Divertor durch das Auftreten von Fluktuationen an der Mittelebene in dieser Arbeit erklärt werden. Die Ionisationsquelle, die von Teilchen herrührt, die aufgrund von Recycling an der Gefäßwand auftreten, steigt nach dem ELM an und kann mit dem KN1D Code modelliert werden. Abschließend führt diese Modellierung zusammen mit der Kontinuitätsgleichung, welche auf dem Drift-Diffusions-Modell basiert, zu einer Abschätzung des von Fluktuationen stammenden, zusätzlichen Teilchentransports in der Größenordnung von 1 m2/s

Future fusion devices like ITER and DEMO will be operated in the high confinement mode (H-mode). The H-mode is characterized by high pressure, temperature and density gradients in the plasma edge due to an edge transport barrier, and therefore high pressure, temperature and density in the plasma core. However, so called edge localized modes (ELMs) lead to the destruction of the edge transport barrier and particles and heat are expelled onto the plasma facing components, e.g. the vessel wall and the divertor. The post-ELM edge plasma density and temperature evolü tions are of major interest as they shed light on the dominant transport processes in the edge transport barrier. In this thesis the inter-ELM evolution of the edge transport barrier is investigated together with the time-resolved behaviour of outer and inner divertor for different gas puffing rates. It is shown that the low field side inter-ELM evolution of the midplane density and temperature is linked to the outer divertor density and temperature and to midplane fluctuations at the plasma edge. A clear link between the outer and inner divertor inter-ELM evolution cannot be identified. The simultaneous examination of the inter-ELM evolution of the midplane edge profiles, outer divertor profiles and midplane fluctuations leads to a model wherein the density recovery rate can be seen as a result of an interplay between a local ionization source, due to incoming neutrals originating from the chamber wall, and the outward particle flux, due to particle transport caused by fluctuations seen as magnetic oscillations. The transient density increase at the outer divertor due to an ELM can be followed by a second density rise. The mechanism of this phenomenon can be explained through the occurrence of midplane fluctuations. The ionization source, due to incoming neutrals, which are recycled from plasma facing components, increases after an ELM event and is modelled using a one dimensional transport algorithm KN1D. This transport algorithm and the continuity equation, assuming a drift-diffusion model, lead to the estimation of additional particle transport, that originates from midplane fluctuations, of the order of 1 m2/s