Search for experimental evidence of mode coupling during the ELM cycle from magnetic measurements in ASDEX upgrade

Abstract

Zukünftige Kernfusionsanlagen wie ITER und DEMO werden aller Wahrscheinlichkeit nach in der H-mode (high confinement mode) betrieben. Durch das Auftreten einer Randtransportbarriere (ETB) weist dieser Betriebsmodus hohe Druck- und Stromgadienten am Plasmarand auf, welche freie Energie für magnetohydrodynamische Instabilitäten liefern. Eine Eigenschaft der H-mode ist das quasi periodische Auftreten von sogenannten ELMs (Edge Localized Modes) auf, die zur Zerstörung der ETB führen. Der Mechanismus, der die kritischen Großen die zur Instabiliät eines ELMs führen momentan am besten beschreibt ist das Peeling-Balloning Modell, in dem Plasmastrom getriebene Peeling Moden mit Druck getriebenen Ballooning Moden zu instabilen Peeling-Ballooning Moden koppeln. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung nichtlinearer Kopplung magnetischer Moden in ASDEX Upgrade Plasmaentladungen. In einem theoretischen Modell wird erst gezeigt, wie es zu Kopplungen von Moden in Wellen und demanach auch in Plasmafluktuationen kommen kann. In der Bikoheränzanalyse wird eine Methode diese Kopplungen zu diagnostizieren gezeigt. Ein Bikohärenz Algorithmus wurde entwickelt um beliebige zeitlich aufgelöste Signale zu analysieren. Mit der Anwendung von Fensterfunktionen und Dithering wurden zwei Methoden gefunden eine Verbesserung der Sensitivität bei Hintergrundrauschen und der Stabilität bei numerischen Fehlern zu erreichen. Um die Funktion des Algorithmus bei der Analyse experimenteller Daten zu zeigen, wurden Signale von magnetischen Pick-up Spulen aus verschiedensten AUG Entladungen analysiert und dargestellt. Um nun die Kopplung verschiedener Moden vor, während und nach den ELMs zu untersuchen wurden die magnetischen Signale an die ELM Anfänge synchronisiert. Mit dieser Methode bleiben die ausschlaggebenden Eigenschaften der ELMs erhalten während sich unwichtige Dinge wegmitteln. Die somit erhaltenen ELM-synchronisierten Daten wurden dann in eindeutige Phasen unterteilt und getrennt mit der Bikohärenzanalyse untersucht, wobei keine offensichtlichen Modenkopplungen in den einzelnen ELM Phasen gefunden wurden.

The forseen operation scenario for future fusion devices like ITER and DEMO is the high confinement mode (H-mode), which is characterized by high pressure and current density gradients in the plasma edge due to an edge transport barrier (ETB). These steep gradients provide a source of free energy for magnetohydrö dynamic instabilities. One property of the H-mode are the quasi periodically occuring edge localized modes (ELMs), which lead to the degradation of the ETB. The best model so far, which describes the critical quantities driving the ELM unstable, is the peeling-ballooning model, in which peeling modes, driven by the current density and its gradients, as well as ballooning modes, driven by the pressure gradients, combine to form peeling-ballooning modes. This Master Thesis deals with non-linear coupling of magnetic modes in AS- DEX Upgrade plasma discharges. A theoretical model first shows how coupling of modes in waves, and therefore also in plasma fluctuations, develops. Bicoherence analysis delivers a method to diagnose and dispaly these couplings. Over the course of this thesis a bicoherence algorithm was developed and thoroughly tested. Windowing and dithering turned out to be useful tools to decrease the noise sensitivity and increase the stability of the algorithm. To test the capabilities of the algorithm in analyzing experimental data, signals of magnetic pick-up coils from different AUG dischages were anayzed and displayed. The magnetic signals were then synchronized to the ELM onsets to check for coupling before, during and after the ELMs. This method preserves the important properties of the ELMs while removing unimportant ones. Consequently these ELM synchronized signals were divided into distinct phases and separatly analyzed with the bicoherence algorithm. No apparent mode couplings were found in any of the ELM phases.