Highlights 2014

Forschungsnachrichten aus dem Bereich Plasmarand und Wand

Lineare Stabilitätsanalyse von ELMs in ASDEX Upgrade – A. Burckhart

ELM steht für ‚edge localized mode‘ und ist eine magnetohydrodynamische Instabilität, die am Rand von magnetisch eingeschlossenen Fusionsplasmen periodisch auftritt. ELMs transportieren Teilchen und Wärme aus der Region des eingeschlossenen Plasmas in die Abschälschicht. Dieser Vorgang bewirkt nicht nur, dass die eingeschlossene Energie limitiert wird, sondern erzeugt auch hohe Teilchen- und Wärmeflüsse auf die erste Wand des Tokamaks, die möglicherweise in größeren Maschinen nicht toleriert werden können. Die genaue Beschaffenheit der Instabilitäten, die für ELMs verantwortlich sind, ist jedoch noch nicht bekannt. Die Theorie, die am häufigsten zur Erklärung von ELMs herangezogen wird, ist das Peeling-Ballooning-Modell, wonach ein kritischer Randdruckgradient in Kombination mit einer Randstromdichte gekoppelte Moden schnell wachsen lässt.

In seiner Doktorarbeit mit dem Titel ‚Unterschiedliche ELM Regime in ASDEX Upgrade und deren lineare Stabilitätsanalyse‘ untersuchte Andreas Burckhart, ob das Peeling-Ballooning-Modell das Auftreten der ELMs erklären kann. Ein Beispiel wird in der Grafik dargestellt.

Stabilitätsanalyse einer Entladung, in der ECRH (Elektronen-Zyklotron-Resonanzheizung) an unterschiedlichen radialen Positionen das Plasma heizt: Obwohl die Stabilitätsgrenze weiter vom Operationspunkt entfernt liegt, ist die ELM-Frequenz erhöht.

Stabilitätsanalyse einer Entladung, in der ECRH (Elektronen-Zyklotron-Resonanzheizung) an unterschiedlichen radialen Positionen das Plasma heizt: Obwohl die Stabilitätsgrenze weiter vom Operationspunkt entfernt liegt, ist die ELM-Frequenz erhöht.

ELMs können durch lokales Heizen am Plasmarand beeinflusst werden. An TCV wurde gezeigt, dass die ELM-Frequenz ansteigt und der Verlust pro ELM reduziert wird, wenn die Leistungsdeposition weiter zum Rand hin verschoben wird [Rossel et al, Nucl. Fusion 2012]. An ASDEX Upgrade jedoch wird ein anderes Verhalten beobachtet. Die ELM-Frequenz steigt nicht an, sondern ein zweites Frequenzband bei höherer Frequenz entsteht, das immer dominanter besetzt wird, je weiter die Heizleistung am Rand deponiert wird. Die Peeling-Ballooning-Stabilitätsanalyse zeigt, dass das zentral geheizte Plasma marginal instabil ist, während es immer stabiler wird, je weiter die Heizung zum Rand hin verschoben wird. Dieses Verhalten ist hauptsächlich der Reduktion des Druckgradienten zuzuschreiben, da sich die Stabilitätsgrenze nicht ändert. Eine hypothetische Erklärung könnte lauten, dass ECRH an der Stelle der Deposition Turbulenz antreibt, dadurch den Transport erhöht und so am Rand die Gradienten limitiert, wodurch das Peeling-Ballooning-Stabilitätslimit nicht erreicht werden kann. Da die Reduktion der Randgradienten nicht zu einer Reduktion der ELM-Frequenz führt, sondern im Gegenteil deren Frequenz erhöht, ist dies ein Anhaltspunkt dafür, dass ein wesentlicher physikalischer Faktor im Modell fehlt.