Wie die äußere Randschicht den Plasmaeinschluss beeinflusst

In neueren Experimenten an ASDEX Upgrade [1] wurde der Einfluss der Randschicht auf die Struktur der Randtransportbarriere (Pedestal) untersucht.

Stabilitätsdiagramme einer Referenzphase (oben) und einer Phase mit Stickstoff-Beigabe (unten) während der selben Entladung. Die Farbskala stellt Moden-Wachstumsraten dar: Blau = stabil, rot-grün = anwachsende Rate. Diese Raten sind hier dargestellt als Funktion der Randstromdichte und des Druckes auf dem Pedestal. Die ideale MHD-Stabilitätsanalyse zeigt, dass Stickstoffbeigabe den stabilen Bereich zu höheren Drücken hin vergrößert, was konsistent ist mit den experimentellen Daten, die durch die Symbole angegeben sind. Die Stickstoffzugabe führt zu einer Einwärtsverschiebung des Dichteprofils und zu einer 25-prozentigen Zunahme des Plasmadruckes auf dem Pedestal.

Ein besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Rolle poloidaler Asymmetrien bei der Brennstoffnachfüllung gelegt. Eine solche Asymmetrie stellt zum Beispiel die Existenz der Hochdichte-Region in der Randschicht der Hochfeldseite dar, die durch Gasnachfüllung bei moderater Heizleistung entsteht.
Wenn diese Region existiert, liefert sie Brennstoff an das Plasma nahe an der Separatrix, wodurch effektiv das Dichteprofil im Pedestal nach außen verschoben wird [2]. Diese Auswärtsverschiebung hat einen negativen Einfluss auf die Pedestal-Stabilität, was sowohl durch vorhersagende als auch durch interpretierende Modellierung bestätigt wird. Sowohl im Modell als auch im Experiment reduziert eine kleine Verschiebung von nur 5 mm den möglichen Druck auf dem Pedestal um 25 %, was demonstriert wie die äußere Randschicht den Plasmaeinschluss beeinflussen kann.
Durch die Beigabe einer strahlenden Verunreinigung, wie Stickstoff, Methan oder Neon, kann die Hochdichte-Region geschwächt oder sogar vollständig eliminiert werden. Dies schaltet auch den Effekt auf die Plasmanachfüllung aus, wodurch sich das Dichteprofil radial nach innen verschieben kann. Dies führt zu einem entsprechenden Anstieg des Druckes auf dem Pedestal. Diese Erscheinung kontrollieren zu können, stellt ein neues Werkzeug zur Beeinflussung der Pedestal-Stabilität dar. Das Verständnis verbessert die Modellierung des Einschlusses in der Zukunft.

Diese Arbeiten wurden 2016 auf der EPS- und der IAEA-Konferenz präsentiert.

[1] M. Dunne et al., Plasma Physics and Controlled Fusion (accepted)
[2] M. Dunne et al., Plasma Physics and Controlled Fusion 59-1, 014017 (2017)

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