Entstehung und Stabilität des X-Punkt-Strahlers und die Schwelle zu Marfes in Tokamak-Plasmen

Kalte, dichte und stark strahlende Plasmavolumina spielen eine wichtige Rolle für die Leistungsabfuhr und den Schutz der inneren Wand von Fusionsanlagen.

Separatrix-Dichte-Temperatur-Landkarte, die zeigt, wo stabile XPR gefunden werden (blau) und die Grenzen zum Marfe-Parameterraum (grau), an denen der XPR instabil wird. Die Grenzen gelten für Stickstoff als Verunreinigung; sie verschieben sich, wenn Kohlenstoff oder Argon verwendet oder die Neutralteilchendichte am X-Punkt erhöht wird. Demnach gibt es in Tokamaks mit Kohlenstoffwand nur einen kleinen Existenzbereich für stabile XPR. Es gibt zwei Routen zu einem Marfe und einer möglichen Disruption, eine kontrollierbare (i) und eine schnelle (ii).

Grafik: IPP

Separatrix-Dichte-Temperatur-Landkarte, die zeigt, wo stabile XPR gefunden werden (blau) und die Grenzen zum Marfe-Parameterraum (grau), an denen der XPR instabil wird. Die Grenzen gelten für Stickstoff als Verunreinigung; sie verschieben sich, wenn Kohlenstoff oder Argon verwendet oder die Neutralteilchendichte am X-Punkt erhöht wird. Demnach gibt es in Tokamaks mit Kohlenstoffwand nur einen kleinen Existenzbereich für stabile XPR. Es gibt zwei Routen zu einem Marfe und einer möglichen Disruption, eine kontrollierbare (i) und eine schnelle (ii).

Grafik: IPP

Auf der Grundlage von Teilchen- und Energiebilanzen wurde ein reduziertes Modell für das Auftreten von stabilen und instabilen X-Punkt-Strahlern (XPR) gewonnen. In seiner stabilen Form tritt der XPR auf geschlossenen magnetischen Flussflächen in der Nähe des magnetischen X-Punktes von Tokamak-Plasmen auf, wo er bis zu 90 % der Heizleistung abstrahlen und zur ELM-Unterdrückung auf Kosten eines moderaten Einschlussverlustes führen kann. Wird der XPR instabil, entsteht ein Marfe, der ein Vorläufer der Dichtegrenze und von Disruptionen in Tokamaks ist. Die Modellergebnisse stimmen gut mit experimentellen Beobachtungen und mit Ergebnissen aus SOLPS-ITER-Simulationen überein, was zu einem physikalischen Bild der zugrundeliegenden Prozesse führt. Die gefundenen Parameterabhängigkeiten können als Leitfaden für Regelungen zur XPR-Kontrolle und zur Vermeidung von Disruptionen dienen (s. Abb).

U. Stroth et al Nucl. Fusion 62 (2022) 076008
https://doi.org/10.1088/1741-4326/ac613a

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