Interpretation of {D_1tnα [D alpha] imaging diagnostics data on the ASDEX Upgrade tokamak [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Jens Harhausen

Jens Harhausen

Informations

• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 9
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

Interpretation of D Imaging Diagnostics Data
on the ASDEX Upgrade Tokamak
Dissertation der Fakulta¨t fu¨r Physik
der
Ludwig-Maximilians-Universita¨t Mu¨nchen
vorgelegt von Jens Harhausen
aus Wu¨rzburg
Mu¨nchen, 1.12.2008
a1.Gutachter: Prof. Dr. H. Zohm
2.Gutachter: Prof. Dr. H. Lesch
Datum der mu¨ndlichen Pru¨fung: 7.5.2009Abstract
The Tokamak configuration is a promising concept for magnetic confinement fusion. Cross-field
transport in the plasma core leads to a plasma flux across the separatrix into the scrape-off layer,
where it is guided along field lines towards the divertor targets. A return flux of neutral particles
after plasma-wall interaction is directed towards the plasma chamber. Each discharge scenario
is accompanied by a characteristic recycling pattern. The dominant mechanisms of neutral-
plasma interaction are ionisation and atom-ion charge exchange. The impact of neutrals on the
particle-, momentum- and energy-balance of the plasma is relevant for the understanding of the
properties of the edge plasma and the state of the divertor plasma. Neutrals may cause energy-
and momentum-detachment, a state of reduced power and particle fluxes, at the targets, which
is a prerequisite for acceptable wall loads under reactor conditions. The distribution of neutral
particles in the plasma chamber can be determined by the analysis of line emission. Parameters of
neutrals have been available so far only from localised measurements and it is therefore desired
to extend the observation area.
At the ASDEX Upgrade Tokamak, two cameras are installed to record the Deuterium
Balmer- (D ) emission with high spatial resolution and dynamic range in the divertor and mid-
plane regions. Two methods for data deconvolution are presented. A simple profile-fit is used to
resolve the radial profile of emission at the low and high field sides for low and medium density
discharges. This emission profile is translated to neutral parameters by comparison to the results
obtained from kinetic modelling of neutral penetration (KN1D). An algorithm for tomographic
reconstruction is applied to image data of the divertor region. In general, radiance data recorded
is blurred due to the impact of diffuse reflection from surfaces of the plasma facing components in
the all-Tungsten machine. Therefore, the tomographic algorithm has been extended by a model
for reflection based on a solid angle resolved measurement.
The sensitivity of the procedures is proven by the accurate analysis of different edge plasma
configurations. Poloidally resolved neutral flux densities at the plasma edge and corresponding
core fuelling rates are presented for the high field side. Underlying estimates of plasma param-
eters indicate a drop of static plasma pressure along the magnetic field towards the inner target.
Changes of the poloidal flux density profile during a radial shift of the plasma column, indicate
a correlation of plasma-wall gap and scrape-off layer parameters at the high field side. From the
deconvolution of divertor view data separate emission patterns have been resolved. Besides the
character of emission at the strike zones which can give a hint on the level of detachment, the
occurrence of radiation above the inner target indicates that the distribution of plasma parameters
is probably more complex than expected from simple radial decay lengths.
The experimental emission profiles and inferred neutral parameters display an important
boundary condition for complex 2D edge modelling codes like SOLPS. The comparison of ex-
perimental and code results question the applicability of the standard recipe (concerning code
settings) for arbitrary plasma scenarios. An interface to theory is required to reasonably exploit
the experimental data on neutral penetration.
The essential result of this thesis is a reference frame for the quantitative analysis of video
diagnostics data recorded on a Tokamak plasma, including the impact of reflecting plasma facing
components.
aaKurzfassung
Das Tokamak-Konzept stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Verwirklichung der Kernfusion mittels
des magnetischen Einschlusses dar. Plasmatransport senkrecht zum Magnetfeld im Kernbereich fu¨hrt zu
einem Plasmafluss u¨ber sie Separatrix in die Abscha¨lschicht, in der dieser entlang des Magnetfelds zu
den Prallplatten des Divertors geleitet wird. Durch die Neutralisation des Plasmas an der Gefa¨sswand
entsteht ein wiederum auf das Plasma gerichteter Fluss von Neutralteilchen. Jedes Entladungsszenario
zeichnet sich durch ein bestimmtes Muster dieses Plasma-Recyclings aus. Die wesentlichen Reaktionen
der Neutralteilchen-Plasma-Wechselwirkung sind Ionisation und Ladungsaustausch. Der Einfluss der
Neutralen auf die Teilchen-, Impuls- und Energie-Bilanz des Plasmas ist bedeutsam fu¨r das Versta¨ndnis
der Eigenschaften des Randplasmas und des Zustands des Divertorplasmas. Neutralteilchen ko¨nnen
eine substantielle Reduzierung von Energie- und Impulsflu¨ssen an den Prallplatten verursachen, einem
Mechanismus, der als Voraussetzung fu¨r das Erreichen vertretbarer Wandbelastungen im Reaktorbetrieb
gilt. Die Verteilung von Neutralen im Plasmagefa¨ss kann durch die Auswertung von Linienstrahlung be-
stimmt werden. Bisher sind Daten zu Neutralteilchen nur aus lokalen Messungen verfu¨gbar und es ist
daher wu¨nschenswert, den ra¨umlichen Messbereich zu erweitern.
Am Tokamak-Experiment ASDEX Upgrade sind zu diesem Zweck zwei Kameras installiert, die
mit hoher ra¨umlicher Auflo¨sung und hohem dynamischem Umfang die Balmer- Linienemission von
Deuterium (D ) im Divertor und in der Mittelebene aufzeichnen. Es werden zwei Methoden zur Ent-
faltung der linienintegrierten Daten vorgestellt. Zur radialen Auflo¨sung der Emission an der Innen-
und der Aussenseite des Torus in Entladungen niedriger und mittlerer Dichte wird eine einfache Fit-
Prozedur angewandt. Die so erhaltenen Emissionsprofile werden in die zugrundeliegenden Neutralpa-
rameter u¨bersetzt, indem eine kinetische Modellierung (KN1D) des Eindringens der Neutralen am Plas-
marand zum Vergleich herangezogen wird. Fu¨r die Auswertung von Bilddaten des Divertorbereichs
dient ein Algorithmus zur tomographischen Rekonstruktion. Diffuse Reflektion, die von der mit
Wolfram beschichteten Gefa¨sswand herru¨hrt, vermindert den Kontrast der Bilddaten teilweise erheblich.
Um dieser Komplikation zu begegnen, wurde der Tomographiealgorithmus um ein Reflektionsmodell
erweitert, das auf einer umfassenden raumwinkelaufgelo¨sten Messung an einer Wandkomponente beruht.
Das Auflo¨sungsvermo¨gen der verschiedenen Methoden wird im Vergleich der Ergebnisse zu unter-
schiedlichen Plasmarandkonfigurationen deutlich. Fu¨r die Torusinnenseite werden poloidale Verteilun-
gen der Neutralzuflussdichte und der entsprechenden Zuflussraten am Plasmarand pra¨sentiert. Die fu¨r die
Auswertung der Emissionsdaten notwendigen Annahmen zu Plasmaparametern deuten auf einen Abfall
des statischen Plasmadrucks entlang des Magnetfelds in Richtung des inneren Divertors hin. Die radiale
Verschiebung der Plasmasa¨ule und die dabei beobachtete Vera¨nderung in der Neutralzuflussdichte zeigen
den direkten Zusammenhang von Plasma-Wand Abstand und Plasmaparametern in der Abscha¨lschicht
bzw. die relativ weite radiale Ausdehnung des Plasmas in diesem Bereich. Mit der Entfaltung der Di-
vertoraufnahmen werden ra¨umlich getrennte Emissionsmuster hervorgehoben. Neben Hinweisen zum
Divertorzustand, die daraus gewonnen werden ko¨nnen, la¨sst das Auftreten von Emission oberhalb des
inneren Aufprallpunktes auf eine Verteilung von Plasmaparametern schliessen, die komplexer sein muss,
als die von einfachen radialen Abfalla¨ngen beschriebene.
Die experimentell gewonnenen Daten stellen eine bedeutende Randbedingung fu¨r aufwendige 2D
Simulationsrechnungen des Plasmarandes, wie mit dem SOLPS-Code durchgefu¨hrt, dar. Der Vergle-
ich der Simulationsergebnisse mit den experimentellen Daten zeigt eine beschra¨nkte Aussagefa¨higkeit
des Codes, sofern nach dem typischerweise verwendeten Rezept bezu¨glich der freien Code-Parameter
vorgegangen wird. Eine alternative Schnittstelle zur theoretischen Beschreibung ist notwendig, um die
experimentellen Erkenntnisse zum Eindringen der Neutralteilchen weitergehend verwerten zu ko¨nnen.
Das wesentliche Ergebnis dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Referenz zur quantitativen Auswer-
tung von Videodiagnostikdaten an einem Tokamak-Plasma, insbesondere unter Beru¨cksichtigung von
Reflektion an Wandkomponenten des Plasmagefa¨sses.
aaContents
1 Introduction 1
2 Neutral-Plasma Interaction 7
2.1 Fundamental Molecular and Atomic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Occupation Balance of Excited States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Kinetic Treatment of Neutral Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1 Basic Aspects of the KN1D Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 KN1D in Practise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 D Diagnostics 31
3.1 Strike Point Observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Tangential Cameras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4 D