Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4158
Unterberg, Bernhard
Magnetically confined fusion plasmas with a radiating boundary and improved energy confinement
VI, 154 S., 2005
Magnetisch eingeschlossene Fusionsplasmen mit strahlender Randschicht und
verbessertem Energieeinschluss
Das Konzept des kalten, strahlenden Plasmamantels ist eine mögliche Lösung für das
Problem der Energieabfuhr aus magnetisch eingeschlossenen Fusionsplasmen. Im Tokamak
TEXTOR führt die Zufuhr von Verunreinigungen wie Neon, Silizium oder Argon zur Ausbil
dung eines strahlenden Plasmamantels, in dem bis zu 90% der zugeführten Heizleistung auf
die Gefäßwand gleichmäßig verteilt werden kann. Bei hohen Plasmadichten beobachten wir
einen Übergang zu verbessertem Energieeinschluss, der als Radiative Improved Mode (RImode)
bezeichnet wird. Dieses Plasmaregime vereint hohe Plasmadichten und guten Energieeinschluss
mit quasi- stationären Entladungsbedingungen. Ohne Verschlechterung des
Einschlusses kann die Dichte mit moderaten Injektionsraten weiter erhöht werden. Starke
Gasinjektion führt jedoch zu einer Einschlussverschlechterung.
Mithilfe von Plasmadiagnostiken auf der Basis optischer Methoden haben wir im Detail
den Plasma- und Neutralteilchentransport am Plasmarand untersucht. Wir beobachten, dass
die Plasmatemperatur deutlich reduziert wird, wenn die durch die zugeführten Verunreini
gungen abgestrahlte Leistung erhöht wird. Gleichzeitig nimmt der Teilchentransport aus
dem eingeschlossenen Volumen ab. In Plasmaentladungen, in denen Gas mit hoher Einlassrate
injiziert wird, um die zentrale Dichte weiter zu erhöhen, zeigt sich eine überproportional
große Erhöhung der Plasmadichte am Rand und des Neutralteilchendrucks, während Randschichtdichte
und Neutralteilchendruck kaum ansteigen, wenn mit moderaten Gasraten die
zentrale Dichte ansteigt. Mit fortschreitender Verunreinigungsinjektion bildet sich eine deutliche
Brennstoff verdünnung am Rand aus, während die Verdünnung im Plasmakern deutlich
geringer ansteigt. Die resultierenden Profile der Verunreinigungskonzentration sind hohl. Je
höher die Plasmadichte, desto geringer die resultierende Verunreinigungskonzentration bei
gegebener Strahlungsleistung.
Der auffälligste Effekt der Verunreinigungsinjektion auf den Transport im Plasmakern ist
das Aufsteilen der Dichteprofile. Dabei bleibt die Plasmatemperatur im Zentrum konstant
bzw. steigt an. Eine Analyse der Plasmaprofile im Hinblick auf Stabilität gegenüber der
sog. ITG- Mode (durch den Ionentemperaturgradienten getriebene Mikro- Instabilität) zeigt,
dass die ITG- Mode bei der Energie- Einschlussverbesserung stark reduziert wird, während
sie deutlich wieder anwächst, wenn die Dichte mit starker Gasinjektion erhöht wird und der
Einschluss sich dabei verschlechtert. Sowohl der Prozess der Einschlussverbesserung nach
Verunreinigungsinjektion als auch die Verschlechterung mit starker Gasinjektion beginnt am
Plasmarand. Allerdings verstärkt die nachfolgende Änderung der Transporteigenschaften
im Kern die anfängliche Störung. Dementsprechend beobachten wir eine nicht- lineare Kopplung
der Prozesse am Rand und im Zentrum. Die Bifurkation in den Zustand mit kaltem
Strahlungsmantel und verbessertem Energieeinschluss kann mit einem Modell reproduziert
werden, das den Transport auf der Basis von ITG- Moden und einer durch gefangene Teilchen
hervorgerufenen Mode (sog. dissipative trapped electron (DTE-) mode) beschreibt. Dabei
ist die durch letztere Instabilität hervorgerufene, ins Zentrum gerichtete Teilchendrift von
besonderer Bedeutung. Diese Drift ruft das charakteristische Aufsteilen der Dichte hervor,
sobald die ITG- Mode durch die Verunreinigungen reduziert wird.
Magnetically confined fusion plasmas with a radiating boundary and improved
energy confinement
The concept of a cold radiating plasma boundary has been proposed as a solution of the
problem of power exhaust in magnetically confined fusion plasmas. In the tokamak TEXTOR
the injection of impurities (neon, silicon or argon) leads to the formation of a radiating plasma
boundary where up to 90% of the input power can be distributed to large wall areas, thereby
strongly reducing the convective heat flux density onto the plasma facing components. At
high plasma densities the impurity seeding leads to a transition to an improved confinement
state, termed the Radiative Improved Mode (RI-mode). This operational scenario combines
high density and high confinement with power exhaust by radiation under quasi- stationary
discharge conditions. The plasma density can be further increased by external gas fuelling,
while the high confinement is maintained, if the gas is fuelled at a moderate rate. In contrast,
strong gas fuelling leads to a confinement degradation back to the normal L-mode level.
We have used plasma diagnostics based on optical methods to characterise particle, energy
and neutral transport at the plasma boundary. When the radiated power is increased owing
to the injected impurities, we observe a strong reduction of the plasma temperature at the
plasma boundary. At the same time, the particle transport out of the confined volume
decreases, accordingly the neutral flux back into the plasma decreases. In discharges, where
the density is increased by strong gas fuelling and the energy confinement degrades, we
observe a built-up of edge density and neutral pressure owing to a higher recycling coefficient.
In contrast, with moderate gas fuelling the edge density and neutral pressure remain low.
While the seeded impurities cause a substantial dilution at the plasma edge, the plasma core
is much less affected, leading to hollow impurity concentration profiles. Operation at the
highest densities is favourable with respect to the release of impurities at the edge as well as
with respect to the resulting impurity content in the plasma bulk.
The most prominent change of transport in the plasma core is a steepening of background
density profile while the temperature in the core can be maintained or even slightly increased.
The global energy confinement is strongly correlated with the density peaking. An analysis
of the experimental plasma profiles with respect to stability against the ion temperature
gradient driven mode (ITG mode) shows that the ITG mode is substantially reduced during
the confinement improvement and that it re- appears if the density is increased and a subsequent
confinement roll-over occurs with too a strong gas fuelling. The dynamics of both
the confinement improvement and of the degradation is initiated at the plasma edge. The
resulting changes in the plasma core amplify the initial trigger. Consequently, we observe a
non-linear interplay between edge and core which allows for a self-organisation of the plasma
and a bifurcation between two rather different states. The transition and the changes of the
plasma profiles can be described in agreement with the experimental findings by a transport
model based on the ITG mode and the dissipative trapped electron (DTE-) mode, which
is connected to a strong anomalous particle pinch. This inward pinch leads to the steepening
of the density profile once the ITG mode growth is reduced by the impurities. During
the confinement degradation with strong gas injection increased edge transport leads to a
reduction of the impurity content in the core below the level needed for the ITG suppression.
Neuerscheinungen
Schriften des Forschungszentrums Jülich
Ihre Ansprechperson
Heike Lexis
+49 2461 61-5367
zb-publikation@fz-juelich.de