Magnetohydrodynamik

Magnetohydrodynamik

Aus Sicht der Magnetohydrodynamik (MHD) werden elektromagnetische und hydrodynamische Eigenschaften des Plasmas kombiniert, um so ein umfassendes Bild über sowohl statische Zustände, als auch dynamische Prozesse zu erhalten.

Statische „Gleichwichte“ zwischen Magnetfelddruck durch die externen Feldspulen und Magnetfelddruck durch Ströme im Plasma werden hierbei auf der Grundlage von Messdaten rekonstruiert. Sie liefern detaillierte Informationen über Plasmaparameter, wie z.B. Druckprofile oder Plasmastromverteilungen. Letztere sind besonders wertvoll, da im Wendelstein 7-X Stellarator Stromdichteprofile nicht direkt gemessen werden können. Die rekonstruierte Magnetfeldgeometrie spielt eine wichtige Rolle bei der Untersuchung von Plasmaenergie- und Teilchentransport, besonders bei fusionsrelevanten Hochenergie-Plasmen. Sie stellt ebenfalls eine wichtige Zutat für komplexe Simulationscodes, wie sie zur Untersuchung verschiedenster magnetohydrodynamischer Phänomene eingesetzt werden, dar.

Die notwendigen Messdaten liefern neben Profildiagnostiken für Plasmatemperatur und Dichte die magnetischen Gleichgewichtsdiagnostiken. Sie messen die Plasmaenergie (Diamagnetische Schleifen) und die Anteile des Plasmastroms (Rogowskispulen, Sattelspulen). Weiterhin lässt sich aus den Messungen der Röntgentomographie die Verschiebung der Plasmaachse ableiten.

Neben den Gleichgewichtszuständen beschäftigt sich die MHD auch mit der Plasmastabilität und mit dynamischen Prozessen, wie z.B. Wellen und Moden im Plasma. Derlei Modenaktivität kann unter anderem mit den Mirnov-Spulen und mit der Röntgentomographie beobachtet werden.

Diagnostiken

Diamagnetische Schleifen

Die diamagnetischen Schleifen befinden sich im Plasmagefäß und umschließen das Plasma poloidal. Insgesamt sind drei Schleifen verbaut, wovon sich zwei in einer Region mit bohnenförmigem Plasmaquerschnitt (Bohnenebene) und eine in einer Dreiecksebene befinden. Letztere ist mit vier Kompensationsspulen ausgestattet, mit deren Hilfe das Messsignal direkt gegen äußere Störeinflüsse, wie z.B. Stromfluktuationen in den Hauptfeldspulen des Wendelstein 7-X, kompensiert wird. Die Messung des veränderlichen magnetischen Flusses ist proportional zur Plasmaenergie.

Rogowski-Spulen

Eine ununterbrochene Rogowski-Spule umschließt das Plasma poloidal, so dass die gemessene magnetische Flussänderung direkt proportional dem toroidalen Plasmastrom ist. Am Wendelstein 7-X ist eine Spule dieses Typs verbaut und zusätzlich eine Reihe von kürzeren, das Plasma nicht vollständig umschließenden Rogowski-Spulen Segmenten, die ihrerseits Informationen über poloidale Stromverteilungen liefern. Nahezu alle Rogowski-Spulen sind sowohl innerhalb, als auch außerhalb des Plasmagefäßes positioniert. Somit können auch Ströme im Plasmagefäß selbst charakterisiert werden.

Sattelspulen

Die großflächigen Sattelspulen befinden sich im Kryoraum direkt auf dem Plasmagefäß. Sie messen den Anteil der magnetischen Flussänderung, der durch vertikale Magnetfeldkomponenten erzeugt wird. Er ist proportional zu den sogenannten „Pfirsch-Schlüter“ Strömen, die zur horizontalen Lage und Verformung des Plasmas beitragen. Sie sind ebenfalls proportional zur Plasmaenergie.

Mirnovspulen

Die insgesamt 125 Mirnovspulen sind an drei toroidalen Positionen im Plasmagefäß in jeweils einem poloidalen Kranz aus 21 bzw. 41 Einzelsonden angeordnet. Die restlichen Sonden sind toroidal verteilt. Größe und Wicklungszahlen dieser Spulenkörper sind darauf ausgelegt Magnetfeldfluktuationen im Bereich von 1-1000 kHz zu messen und damit Aufschluss über dynamische Prozesse, wie z.B. Wellen und Moden im Plasma zu liefern.

Röntgentomographie

Eine aus 20 Kameras bestehende poloidale Anordnung im Plasmagefäß misst über 360 Einzelsichtstrahlen Strahlungsemissionen im weichen Röntgenbereich. Eine tomografische Inversion ermöglicht die Untersuchung von Dichteschwankungen im Plasma, hervorgerufen z.B. durch Instabilitäten oder Verunreinigungstransport. Die Messungen des Röntgentomographie-Systems lassen darüberhinaus auf die Verschiebung der Plasmaachse durch Änderungen von Dichte und Temperatur („Shafranov-Shift“) rückschließen und tragen damit wesentlich zur Charakterisierung von magnetischen Gleichgewichten bei.

Pulshöhenanalyse

Die Pulshöhenanalyse-Diagnostik liefert Messungen im Energiespektrum weicher Röntgenstrahlung, die entlang drei Sichtlinien durch das Plasma emittiert werden. Die Diagnostik ist darauf ausgelegt, sowohl Verunreinigungen im Plasma zu identifizieren, als auch Elektronentemperatur und Ladungszahlen abzuschätzen, sowie superthermische Elektronen zu detektieren.







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