Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4251
Loozen, Xavier
Modeling of Plasma Response to Magnetic Field Perturbations from the Dynamic Ergodic Divertor (DED) and Comparison with Experiment
IX, 137 S., 2007
Seit Jahrzehnten wird versucht, eine kontrollierte Fusion von Deuterium- und
Tritiumkernen im Labor zu erreichen, mit dem Ziel, eine fast unerschöpfliche
Energiequelle nutzbar zu machen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit
dem sogenannten Tokamak, einer torusförmigen Anlage in der das Fusionsplasma
durch ein Magnetfeld eingeschlossen wird, welches durch geeignet
angeordnete Spulen und im Plasma induzierte Ströme erzeugt wird. Dieses
Magnetfeld beschränkt die Bewegung der geladenen Teilchen auf die Superposition
einer Bewegung entlang der Magnetfeldlinien, und einer Rotation
senkrecht zu diesen. Der Gyrationssradius der Teilchen ist üblicherweise
sehr klein im Vergleich zur den Abmessungen des Tokamakgefäßes.
Durch verschiedene Prozesse wird die ideale Gyrationsbewegung der Teilchen
gestört und die ins Plasma deponierten Teilchen und die Wärmeenergie
gehen durch Transport zu den Wänden des Tokamaks verloren. Es gibt eine
breite Palette von Mechanismen, die den Transport zu den Wänden verursachen.
Am besten verstanden ist die neoklassische Diffusion, die durch Stöße
zwischen geladenen Teilchen zustande kommt. Experimentelle Beobachtungen
zeigen jedoch, dass der Transport weitaus grösser ist als von der Theorie
der neoklassischen Diffusion vorhergesagt. Es wird allgemein angenommen,
dass weitere Transportprozesse existieren, die durch verschiedene Plasmainstabilit
äten hervorgerufen werden und den sogenannten anomalen Transport
verursachen. Eine Kontrolle der Teilchen- und Wärmeflüsse, die infolge dieses
anomalen Transportes auftreten, ist von größter Bedeutung für zukünftige
Fusionsreaktoren, damit die für die Kernfusion notwendigen hohen Dichten
und Temperaturen gewährleistet werden können. Mit dieser Absicht hat man
die Ergodischen Divertoren (ED) als ein Mittel für die Kontrolle des Transports
in der Plasmarandschicht vorgeschlagen. Durch zusätzliche Spulen
bringen solche Vorrichtungen eine schwache Störung in das Magnetfeld des
Tokamaks ein. Dadurch werden Feldlinien in radiale Richtung, senkrecht zu
den ungestörten magnetischen Oberflächen, abgelenkt und der radiale Transport
durch Transport entlang solcher Feldlinien geändert. Die Bezeichnung
ergodisch rührt daher, dass solche Störungen zu chaotischem oder stochastischem Verhalten der Feldlinien führen.
In dieser Arbeit wird ein Modell [60] für den Transport im stochastischen
Magnetfeld weiter entwickelt und zur Modellierung der Plasmadynamik in
den Tokamaks Tore Supra (Cadarache, Frankreich) und TEXTOR (Jülich,
Deutschland) mit Ergodischen Divertoren angewandt. Dieses Modell basiert
auf der Annahme, dass der Transport des Plasmas hauptsächlich entlang
optimalen Pfaden stattfindet, welche aus einer Folge von Segmenten parallel
und senkrecht zu den Feldlinien bestehen. Als Ergebnis werden die
effektiven radialen Transportkoeffizienten als Funktionen der Charakteristiken
des stochastischen Feldes und des Transports parallel und senkrecht zu
den Feldlinien berechnet. Das Modell für den senkrechten Transport wird
dabei unter Bercksichtigung verschiedener relevanter Instabilitäten in der
Plasmarandschicht ausgearbeitet. Diese Transportmodelle werden im Vergleich
mit Temperatur- und Dichteprofilmessungen in Tore Supra validiert
und in den 1.5-dimensionalen Transportcode RITM eingefgt, um radiale Profile
von verschiedenen Plasmaparametern selbstkonsistent zu berechnen. Mit
diesem so erweiterten Code werden Simulationsrechnungen für verschiedene
experimentelle Bedingungen im Tokamak TEXTOR mit Dynamischem Ergodischen
Divertor (DED) durchgeführt. Die RITM-Ergebnisse werden mit
den Messungen der thermischen Energie mittels der diamagnetischen Spule
verglichen. Schließlich werden die Profile der Plasmadichte und Temperatur,
die für die Bedingungen ohne und mit DED im statischen Betrieb berechnet
wurden, mit den Messungen verschiedener Plasmadiagnostiken verglichen.
For several decades, physicists try to get under laboratory conditions fusion
of deuterium and tritium nuclei, with the aim to provide a practically inexhaustible
source of energy. The present work is focused onto tokamaks only,
which are torus-shaped devices with the magnetic field produced by external
coils and electric current in the plasma. This magnetic field restrains the
particle motion to a translation along the field lines, and a gyration in a
plane perpendicular to them, with a gyro-radius small compared to the size
of the machine.
The control of particle and heat transport is a critical issue to obtain the
high temperatures and densities required for fusion in future reactors. Collisions
between particles lead to transport of both heat and charged particles
towards the walls of the tokamak. This transport mechanism is well understood.
However, the experimentally observed transport level is much higher
than the expected one due to collisions and it is commonly believed that
there are additional transport mechanisms. These mechanisms are referred
to as anomalous transport and result from microscopic plasma instabilities
of different types. Ergodic Divertors (ED) have been introduced in order to
provide means to control the transport at the plasma edge. Such devices
superpose a small magnetic perturbation from additional coils onto the main
magnetic field. Without such perturbations, the magnetic field lines lie on
nested toroidal magnetic surfaces. When a perturbation is applied, field lines
exhibit small deviations in the direction perpendicular to the unperturbed
magnetic surfaces. A sufficiently strong perturbation results in a chaotic
behaviour of magnetic field lines, or magnetic field stochastization, allowing
transport towards the walls along field lines.
In the present work, a model for transport in a stochastic magnetic
field [61] is further developed and applied for modelling of plasma behaviour
with EDs. This model implies that the transport towards the walls takes
place predominantly along the so called ’optimal’ paths. Such paths consist
of a succession of segments aligned with the field lines, and segments perpendicular
to them. This model provides effective transport coefficients in the
form of a function of the characteristics of the stochastic field and transport
perpendicular and parallel to the field lines. A second part of the work consists
in the development of a model for anomalous perpendicular transport
coefficients, taking into account the most important edge instabilities. These
two models, for anomalous transport and for its modification in a stochastic
field, are then compared with experimental temperature and density profiles
from the tokamak Tore Supra in Cadarache, France, operated with an ED.
In the third part of the work both models are included into the 1.5-D transport
code RITM (’.5’ stems for the inclusion of the toroidal geometry), for
self-consistent calculation of profiles for various plasma parameters. Simulations
have been performed for the conditions of experiments on the tokamak
TEXTOR in Jülich, Germany, where a Dynamic ED (DED) is presently
in operation. In order to validate the RITM calculations, measurements of
the diamagnetic energy with a diamagnetic loop have been performed. The
results of simulations, without DED and with DED in a static mode, are
compared with these experimental data as well as with the radial profiles of
plasma parameters measured by other diagnostics.
Neuerscheinungen
Schriften des Forschungszentrums Jülich
Ihre Ansprechperson
Heike Lexis
+49 2461 61-5367
zb-publikation@fz-juelich.de