Electron density perturbations at the plasma edge of the ASDEX upgrade tokamak

Abstract

In zukünftigen Fusionsanlagen ist der Teilchentransport auf Plasma-belastete Komponenten (Wandmaterialien) entscheidend. Große Teilchenströme führen zu schnellerer Degradierung der Wandmaterialien, die einen größeren Wartungsaufwand bedingen, was wiederum zu unwirtschaftlichen Fusionskraftwerken führt. Sogenannte Blob-Filamente sind stoßweise auftretende Dichteschwankungen am Plasmarand, die Plasma-Teilchen durch die Abschälschicht auf die Wand transportieren. Ein genaueres Verständnis über die Entstehung und Bewegung der Blob-Filamente ist erforderlich um niedrige Teilchenströme auf die Wandmaterialien zu garantieren. Am axialsymmetrischen Divertor Experiment Upgrade (ASDEX Upgrade) Tokamak ist die Elektronendichte am Plasmarand mittels einer Lithiumstrahl-Diagnostik gut messbar. Diese Diagnostik basiert auf der Wechselwirkung zwischen einem Strahl von elektrisch neutralen Lithium Atomen und den Teilchen des Plasmas. Die dabei emittierte Li I(2p - 2s) Linienstrahlung ist abhängig von der Elektronendichte des Plasmas. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Empfindlichkeit der Lithiumstrahl-Diagnostik durch numerische Simulation von generierten Elektronendichteschwankungen auf Hintergrunddichteprofilen untersucht. Die zugehörigen Linienstrahlungsprofile werden berechnet und analysiert. Das wesentliche Ergebnis ist, dass Elektronendichteschwankungen, die in der Abschälschicht auftreten, mit guter Auflösung von Amplitude und Breite beobachtet werden können. Das gibt der Lithiumstrahl-Diagnostik die Fähigkeit, Geschwindigkeiten und Größen von Blob-Filamenten zu messen. Darüber hinaus ergibt sich eine beinahe lineare Relation zwischen Elektronendichteschwankungsamplitude (oder -größe) und Amplitude (oder Größe) der Schwankung im Linienstrahlungsprofil. Statistische Methoden zur Datenanalyse, wie das konditionierte Mitteln und Kreuzkorrelationsanalysen, werden auf generierte und gemessene Linienstrahlungsprofile angewendet, um die Größen von Blob-Filamenten zu bestimmen. Durch die Lebensdauer des Li(2p)- Zustandes werden die Linienstrahlungsprofile verschmiert. Mittels eines Richardson-Lucy Algorithmus kann diese Verschmierung entfaltet werden, was die direkte Bestimmung der radialen Position von Blob-Filamenten und deren Größe von konditionell gemittelten Linienstrahlungsprofilen ermöglicht. Eine Serie von Plasmaentladungen mit variiertem Magnetfeld B wurde durchgeführt um den Zusammenhang zwischen der stabilsten Größe von Blob-Filamenten (Delta_*) und B zu untersuchen. Erstaunlicherweise sind die durch Kreuzkorrelationsanalyse ermittelten Blob-Filament-Größen um einen Faktor drei größer als die theoretisch vorhergesagten Größen Delta_*. Die B -4/5 Abhängigkeit von Delta_* des theoretischen Blob-Modells wird von den Messungen nicht reproduziert.

In future fusion devices, the particle transport towards the PFC is crucial. Large particle flows lead to faster degradation of the materials, resulting in large maintenance expense and therefore, uneconomical power plants. So-called blob-filaments, which are intermittently released density perturbations at the plasma edge, transport plasma particles through the SOL towards the wall. A deeper understanding of the generation and propagation of these blob-filaments is required to ensure low particle fluxes on the PFC. At the ASDEX Upgrade tokamak, the plasma edge ne is well probed by a LIB diagnostic. The diagnostic is based on the interaction of a neutral LIB and the plasma particles. The emitted Li I(2p - 2s) line radiation is depending on ne. In the frame of this thesis, the sensitivity of the LIB diagnostic is investigated by numerical simulation of artificial ne perturbations on background ne profiles. The corresponding line radiation profiles are calculated and analysed. The essential result is that in the SOL the perturbations are well resolvable in amplitude and size, giving the LIB diagnostic the ability to measure velocities and sizes of blob-filaments. Furthermore, the relation between the ne perturbation amplitude (or size) and the line radiation perturbation amplitude (or size) is almost linear. Statistical data analysis methods as conditional averaging and cross correlation analysis are applied to the artificial and measured line radiation profiles to determine blob-filament sizes. Owing to the lifetime of the Li(2p)state, the line radiation profiles are smeared. Using a Richardson-Lucy algorithm, this smearing can be deconvolved, enabling the direct determination of radial positions and sizes of blob-filaments from conditionally averaged line radiation profiles. A series of plasma discharges, varying the magnetic field B, is performed to investigate the relation between the most stable blob-filament size delta_* and B. Surprisingly, the blob-filament sizes, which are determined by cross correlation analysis, are about a factor of three larger, than the sizes delta_* predicted from theory. The B -4/5 dependence of delta_* from the theoretical blob model is not reproduced by the measurements.