Characterization and scaling of the tokamak edge transport barrier

Published: July 19, 2012, 11 a.m.

Das Regime mit hohem Einschluss (H-Mode) in einem Tokamak Plasma zeichnet sich durch eine besondere Randregion aus. Auf einem kleinen r\xe4umlichen Bereich von 1-2 cm \xe4ndern sich die Eigenschaften des Plasmas signifikant. In dieser Region, auch Pedestal genannt, variieren einige Parameter um 1-2 Gr\xf6\xdfenordnungen. Bisher sind die Entstehung dieses Pedestals und seine Stabilit\xe4t nur unvollst\xe4ndig verstanden. \nDaher ist es ein Ziel dieser Dissertation, zu dem Verst\xe4ndnis des Pedestals beizutragen und Skalierungen f\xfcr gr\xf6\xdfere Maschinen, wie ITER oder DEMO, zu entwickeln.\n\nMit Messungen von verschiedenen Tokamaks - ASDEX Upgrade, DIII-D, JET - wurde eine Pedestal-Datenbank aufgebaut. Das Pedestal wurde f\xfcr alle Maschinen mit derselben Methode charakterisiert. Dadurch erh\xe4lt man den maximalen Wert im Pedestal, seine Breite und seine Steigung, jeweils f\xfcr die Elektronendichte ne, Elektronentemperatur Te und Ionentemperatur Ti. Diese Gr\xf6\xdfen und Ableitungen davon, wie Druck oder Einschlusszeit, wurden analysiert. F\xfcr diesen Zweck wurden zwei verschiedene Sets von Parametern verwendet: normierte Gr\xf6\xdfen (Druck beta, Zeit nu*, L\xe4nge rho*, Form fq und technische Gr\xf6\xdfen (Ausdehnung a, magnetisches Feld Bt, Plasma Strom Ip, Heizleistung P).\nAlle Ergebnisse werden durch die Wahl des Koordinatensystems beeinflusst: normierter poloidaler Fluss PsiN oder Ortsraum r/a. Bei beiden Parametersets wurde beobachtet, dass die Pedestalbreiten in Elektronentemperatur und Elektronendichte unterschiedlich skalieren. F\xfcr ITER oder DEMO w\xfcrde diese Skalierung bedeuten, dass das Temperaturpedestal deutlich breiter ist als das Dichtepedestal.\nDer Druck am Pedestal zeigt verschiedene Abh\xe4ngigkeiten f\xfcr Elektronen und Ionen. Die Extrapolationen zu ITER und DEMO geben ein Te,ped von 4 keV bzw. 10 keV, allerdings ergeben sich deutlich niedrigere Werte f\xfcr die Ionentemperatur. Eine zwei-Phasen Analyse der Energieeinschlusszeit tauE wurde angewandt, um den Beitrag des Pedestals zur gesamten Einschlusszeit abzusch\xe4tzen. Die Abh\xe4ngigkeiten, die sich aus der Skalierung f\xfcr tauE,ped ergeben, sind nahezu identisch mit denen der IPB98 Skalierung. Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass durch das Pedestal ein signifikanter Beitrag zum gesamten Einschluss geleistet wird. Die Extrapolationen zu ITER zeigen eine Einschlusszeit von 3 s, was sich am unteren Rand der IPB98 Skalierung befindet.\nDie Pedestalgradienten im Ortsraum zeigen eine deutliche Korrelation mit den Werten am oberen Rand des Pedestals. Besonders ausgepr\xe4gt ist diese Abh\xe4ngigkeit f\xfcr die Elektronentemperatur, hier wurde zudem keine Abh\xe4ngigkeit mit einem anderen Parameter beobachtet. Die Gradienten in PsiN zeigen keine vergleichbare Korrelation.\nDer normierte Druckgradient alpha, der f\xfcr die Stabilit\xe4t des Pedestals wichtig ist, ist korreliert mit dem normierten Druck und der Plasmaform. Auch andere Beobachtungen lassen auf eine wichtige Rolle der Plasmaform schlie\xdfen, was einen starken Einfluss auf Extrapolationen haben kann.\n\nDie vorliegende Studie best\xe4tigt, dass die Randtransport Barriere nicht durch eine einzelne Theorie beschrieben werden kann. Die H\xf6he des Pedestals in der Elektronen- und Ionentemperatur sowie der Dichte kann separat durch entsprechenden Transport limitiert sein, w\xe4hrend sie zusammen durch eine Stabilit\xe4tsgrenze limitiert sind. Gleichzeitig skaliert die radiale Ausdehnung der Temperatur und der Dichte verschieden.