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

Letzte Änderung: 07.06.2022