Electron Transport in the Plasma Edge with Rotating Resonant Magnetic Perturbations at the TEXTOR Tokamak [Elektronische Ressource] / Henning Stoschus. Gutachter: Ulrich Samm ; Georg Pretzler

F.Heidbuechel

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• Publié le: 01 janvier 2011
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Extrait

Electron Transport in the Plasma Edge with Rotating Resonant
Magnetic Perturbations at the TEXTOR Tokamak
Henning Stoschus
Energie & Umwelt / Energy & Environment
Band / Volume 111
ISBN 978-3-89336-718-4 111
Energie & Umwelt
Henning Stoschus Plasma Edge with Rotating RMP Fields at TEXTOR
Energy & Environment
Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft
MitghaftElectron Transport in the Plasma Edge
with Rotating Resonant Magnetic Perturbations
at the TEXTOR Tokamak
Inaugural-Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨at
der Heinrich-Heine-Universit¨at D¨usseldorf
vorgelegt von
Henning Stoschus
aus Siegen
M¨arz 2011Aus dem
Institut fur¨ Energie- und Klimaforschung – Plasmaphysik,
Forschungszentrum Julic¨ h GmbH
f¨ur die Heinrich-Heine-Universit¨at Dusseldorf¨
Gedruckt mit der Genehmigung der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨at der
Heinrich-Heine-Universit¨at Dusseldorf¨
Referent: Prof. Dr. Ulrich Samm
Koreferent: Prof. Dr. Georg Pretzler
Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 27.06.2011Forschungszentrum Jülich GmbH
Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK)
Plasmaphysik (IEK-4)
Electron Transport in the Plasma Edge with
Rotating Resonant Magnetic Perturbations
at the TEXTOR Tokamak
Henning Stoschus
Schriften des Forschungszentrums Jülich
Reihe Energie & Umwelt / Energy & Environment Band / Volume 111
ISSN 1866-1793 ISBN 978-3-89336-718-4Bibliographic information published by the Deutsche Nationalbibliothek.
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Copyright: Forschungszentrum Jülich 2011
Schriften des Forschungszentrums Jülich
Reihe Energie & Umwelt / Energy & Environment Band / Volume 111
D 61 (Diss. Düsseldorf, Univ., 2011)
ISSN 1866-1793
ISBN 978-3-89336-718-4
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means, electronic or mechanical, including photocopying, microfilming, and recording, or by any
information storage and retrieval system, without permission in writing from the publisher.Abstract
Small three-dimensional (3D) magnetic perturbations can be used as a tool to control the
edge plasma parameters in magnetically confined plasmas in high confinement mode (”H-
mode”) to suppress edge instabilities inherent to this regime, the Edge Localized Modes
(ELMs). In this work, the impact of rotating 3D resonant magnetic perturbation (RMP)
fields on the edge plasma structure characterized by electron density and temperature
fields is investigated. We study a low confinement (L-mode) edge plasma (r/a > 0.9)
∗with high resistivity (edge electron collisionality ν > 4) at the TEXTOR tokamak. Thee
plasma structure in the plasma edge is measured by a set of high resolution diagnostics:
a fast CCD camera (Δt=20μs) is set up in order to visualize the plasma structure in
terms of electron density variations. A supersonic helium beam diagnostic is established
as standard diagnostic at TEXTOR to measure electron density n and temperature Te e
with high spatial (Δr = 2mm) and temporal resolution (Δt=20μs). The measured
plasma structure is compared to modeling results from the fluid plasma and kinetic neu-
tral transport code EMC3-EIRENE.
A sequence of five new observations is discussed: (1) Imaging of electron density varia-
tions in the plasma edge shows that a fast rotating RMP field imposes an edge plasma
structure, which rotates with the external RMP rotation frequency of|ν | = 1kHz. (2)RMP
Measurements of the electron density and temperature provide strong experimental evi-
dence that in the far edge a rotating 3D scrape-off layer (SOL) exists with helical exhaust
channels to the plasma wall components. (3) Radially inward, the plasma structure at
the next rational flux surface is found to depend on the relative rotation between external
RMP field and intrinsic plasma rotation. For low relative rotation the plasma structure
is dominated by a particle and energy loss along open magnetic field lines to the wall
components. For high relative rotation indications for a island acting as locally
confining sub-volumes are found. (4) For high relative rotation, the entire measured edge
plasma structure is shifted by π/2 toroidally with respect to the position modeled in vac-
uum approximation. The latter two experimental findings are compatible with modeling
results of the underlying magnetic topology including plasma response obtained by a 4-
field drift fluid transport model. (5) A smaller shift is measured in front of the RMP coils.
This gives direct experimental evidence that the near field plasma structure is governed
by the competition between the RMP near field and the local plasma structure at the
next inward rational flux surface.
The results obtained are essential input for benchmarking models, which include plasma
response, in order to extrapolate the RMP imposed 3D plasma structure toward the next
step fusion experiment ITER. The measurements of the plasma presented in-
dicate that the underlying magnetic topology is rotation dependent and may therefore
stimulate direct measurements of the components of the magnetic field in future.Kurzfassung
Kleine dreidimensionale (3D) magnetische St¨orungen stellen eine M¨oglichkeit dar, die
Plasmaparameter am Rand inh eingeschlossenen Fusionsplasmen so zu kon-
trollieren, dass typische Randschichtinstabilit¨aten, sogenannte Edge Localized Modes
(ELMs), unterdruc¨ kt werden. In dieser Arbeit wird der Einfluss von rotierenden, drei-
dimensionalen, resonanten magnetischen St¨orfeldern (Resonant Magnetic Perturbation
fields - RMP fields) auf die Randschichtplasmastruktur anhand von Messungen von
Elektronendichte- und Temperaturfeldern untersucht. Gegenstand der Untersuchung ist
∗ein hoch resistives Randschichtplasma (r/a> 0.9, Elektronenst¨oßigkeit ν > 4) am Toka-e
mak TEXTOR in der sogenannten L-mode (low confinement mode). Die Plasmastruktur
wird mit einem Satz von hochau߬osenden Diagnostiken gemessen: eine schnelle CCD
Kamera (Δt=20μs) wurde aufgebaut, um die Plasmastruktur im Hinblick auf Variatio-
¨nen der Elekronendichte zu visualisieren. Ein Helium-Uberschallstrahl wurde als Stan-
darddiagnostik an TEXTOR etabliert, um Elektronendichte n und -temperatur T mite e
hoher Raum- (Δr = 2mm) und Zeitaufl¨osung (Δt=20μs) zu messen. Die experimentell
charakterisierte Plasmastruktur wird mit dem 3D Transport Modell EMC3-EIRENE ver-
glichen, das das Plasma im Flussigk¨ eitsbild und Neutralteilchen in einem kinetischen
Modell beschreibt.
F¨ unf neue Beobachtungen werden diskutiert: (1) Die visuelle Beobachtung von Elek-
tronendichtevariationen im Plasmarand zeigt, dass schnell rotierende RMP Felder eine
Plasmastruktur aufpr¨agen, welche mit der Rotationsfrequenz des externen St¨orfeldes von
|ν | = 1kHz rotiert. (2) Messungen der Elektronendichte und -temperatur liefern ex-RMP
perimentelle Belege, dass in der ¨außersten Randschicht eine rotierende, 3D Absch¨alschicht
mit helikalen Str¨omungskan¨alen zur Wand existiert. (3) Radial innen konnte gezeigt
werden, dass die Plasmastruktur an der n¨achsten rationalen Flussfl¨ache von der Rel-
ativrotation zwischen externem RMP Feld und intrinsischer Plasmarotation abh¨angt.
F¨ ur geringe Relativrotation ist die Plasmastruktur dominiert durch einen Teilchen- und
Energieverlust aufgrund von offenen magnetischen Feldlinien. Fur¨ hohe Relativrota-
tion wurden Anzeichen fur¨ eine rotierende magnetische Insel mit lokalem Einschluss in
Teilvolumina gefunden. (4) Fur¨ hohe Relativrotation stellt sich eine Verschiebung der
gesamten Randschicht-Plasmastruktur im Vergleich mit der berechneten Position in der
Vakuumn¨aherung um π/2 in toroidaler Richtung ein. Diese Befunde for hohe Rela-
¨tivrotation sind in qualitativer Ubereinstimmung mit Modellierungsergebnissen der zu-
grunde liegenden Magnetfeldtopologie mit interner Plasmareaktion, welche im Rahmen
eines Flussigk¨ eitsmodells mit Teilchendriften beschrieben wird. (5) Eine geringere Ver-
schiebungderPlasmastrukturinderNahe¨ derRMPSpulenweistdeutlichdaraufhin, dass
ein Wettbewerb zwischen dem magnetischen Nahfeld und der lokalen Plasmastruktur an
der ¨außersten rationalen Flussfl¨ache existiert, die somit letztlich die Wechselwirkung der
3D Randschicht mit der Wand bestimmt.
Diese Ergebnisse stellen eine grundlegende Referenz fur¨ Modellierungen mit selbstkon-
sistenter Plasmareaktion dar, um die durch RM