Influence of external magnetic perturbations on the plasma boundary in L-mode and on the plasma position control system of ASDEX upgrade

Abstract

Das derzeit am weitesten entwickelte Konzept für einen Fusionsreaktor ist der Tokamak, bei dem allerdings noch bestimmte Probleme auftreten. Die H-Mode (high confinement mode), in der nach derzeitigem Stand, zukünftige Tokamaks betrieben werden, ist anfällig für ELM (edge localized mode) genan-nte Plasmainstabilitäten. Diese Moden können einen Energieund Teilchentransport verursachen, dem derzeitige Wandmaterialien nicht standhalten würden. Ein Ansatz um ELMs abzuschwächen oder zu unterdrücken ist die Störung des Magnetfeldes am Plasmarand durch Störspulen. Diese Störungen brechen die toroidale Symmetrie eines Tokamaks und können auch das Plasmapositionskontrollsystem beeinflussen. Für zukünftige Maschinen könnte dies zu Problemen mit dem Minimalabstand zwischen Plasma und Wand, der für einen sicheren Betrieb nötig ist, führen. In dieser Arbeit wird die Störung der Flussflächen und die induzierte Bewegung des Kontrollsystems aus Messungen errechnet und anschließend mit VMEC, einem Code der die Reaktion des Plasmas auf die externen Störungen berücksichtigt und Vakuum Feldlinienverfolgungssimulationen verglichen. Dies wird getan um das Verhalten des Kontrollsystems und die Vorhersagbarkeit von Simulationen für zukünftige Maschinen zu analysieren. Die untersuchten Plasmaentladungen wurden an ASDEX Upgrade in L-Mode durchgeführt und die verwendeten Diagnostiken sind die aLithiumstrahl Diagnostik und magnetische Sonden, welche in zwei toroidal verschobenen Ringen angeordnet sind. Die Störfelder wurden starr rotiert, um 2D Messungen mit einer 1D Diagnostik bzw. 3D Messungen mit 2D Diagnostiken durchzuführen. Die Lithiumstrahl Diagnostik liefert Profile der Elektronendichte, mit welchen die Separatrix über die Dichte verfolgt werden kann. Die Gleichgewichtsrekonstruktion, basierend auf Bayes'scher Wahrscheinlichtkeitsrechnung, verwendet die magnetischen Messungen um den axisymmetrischen poloidalen Fluss zu bestimmen, mit welchem die Separatrix verfolgt werden kann. Eine Phasenbeziehung zwischen der gemessenen Verformung und dem gemessenen magnetischen Feld einer Poloidalfeld-Sonde wurde gefunden. Dies könnte darauf hinweisen, dass die Streufelder der Störspulen das Kontrollsystem beeinflussen. Die Bewegung des Kontrollsystems und die Verformung zeigen Amplituden im einstelligen mm-Bereich mit leicht variierenden Phasenunterschieden. Die VMEC Ergebnisse zeigen eine gute übereinstimmung mit den n=2 Entladungen, vor allem für die Fundamentalschwingung und keine übereinstimmung für die höheren Harmonischen. Die Vakuumfeld-Näherung zeigt ein akzeptable übereinstimmung mit den Messungen, die bei den nichtresonanten Schüssen etwas besser ist. Eine n=1 Entladung mit einer rotierenden gebundenen Mode zeigt keine übereinstimmung zwischen Messung und Simulationen.

The currently most developed concept for a fusion reactor is the Tokamak, but some challenges still need to be solved. The high confinement mode, in which future Tokamaks are thought to be operated, is susceptible to plasma instabilities called edge localized modes (ELMs). These modes can lead to a sudden exhaust of particles and energy, too high for the material of the plasma facing components to withstand. One approach to mitigate or suppress ELMs is to perturb the magnetic field at the plasma edge with perturbation coils. These magnetic perturbations break the toroidal symmetry of a Tokamak and can also influence the plasma position control system. For future machines the perturbations could lead to problems concerning minimum wall distances needed for safe operation. In this thesis the corrugation of flux surfaces and the induced movement due to the plasma position control system is obtained from measurements and subsequently compared to simulations by VMEC, a code that includes the plasma response to the magnetic perturbations and vacuum field line trac- ing. This is done to investigate the behavior of the control system and to test the predictability of simulations for future machines. The analyzed discharges were done at ASDEX Upgrade in L-mode and the diagnostics used are the lithium beam diagnostic and magnetic probes arranged in two arrays measur- ing the poloidal magnetic field at two toroidally shifted positions. The pertur- bations are rigidly rotated to allow for 2D measurements with 1D diagnostics or 3D with 2D. The lithium beam diagnostic gives electron density profiles which allows us to estimate the separatrix position through tracing a certain density over time. The equilibrium reconstruction based on Bayesian analysis is using the magnetic measurements to obtain the axisymmetric poloidal flux which in turn allows us to trace the separatrix. A phase relation between the obtained corrugation and the measured mag- netic field in a poloidal flux probe is found. This could be a hint that stray fields from the perturbation coils influence the position control system. The movement due to the control system and the corrugation show an amplitude in the one-digit mm range with slightly varying phase differences. The VMEC results show a good agreement for the discharges with n=2, especially for the fundamental harmonic of the corrugation and no agreement for the higher harmonics. The vacuum field line tracing shows a reasonable agreement, bet- ter for the discharges with non-resonant perturbations. A discharge with n=1 and a rotating locked mode shows no agreement between measurement and simulations.