Neue Erkenntnisse über die Entwicklung des Plasmarands zwischen Edge Localized Modes

Vor Kurzem wurde an ASDEX Upgrade die Sättigung des maximalen Druckgradienten am Plasmarand mit dem Auftreten von Magnetfeldfluktuationen im Hochfrequenzbereich korreliert.

Ein Tokamak-Plasma mit sehr gutem Energieinschluss ist durch eine schmale Zone mit steilen Druckgradienten am Plasmarand charakterisiert, die als Pedestal bezeichnet wird. Dort treten Instabilitäten auf, sogenannte Edge Localized Modes (ELMs), und stoßen Teilchen- und Wärmeflüsse auf die Wand, die das Materiallimit in einer künftigen Fusionsanlage wie z.B. ITER übersteigen würden.

Zeitliche Entwicklung der magnetischen Aktivität (∂Br/∂t), der Gradienten von Dichte, max(-∇ne), und Temperatur, max(-∇Te), und des Divertorstromes (divertor current) relativ zum Beginn des ELMs (ELM onset): Der Puls im Divertorstrom zeigt den ELM Ausbruch an und definiert t = 0. Wenn max(-∇ne) sowie max(-∇Te) gesättigt sind, setzen hochfrequente magnetische Fluktuationen ein, die als gelbes Band bei 220 kHz ab 10 ms relativ zum Beginn des ELMs bzw. direkt vor dem ELM zu sehen sind. — Zeitliche Entwicklung der magnetischen Aktivität (∂B_r/∂t), der Gradienten von Dichte, max(-∇n_e), und Temperatur, max(-∇T_e), und des Divertorstromes (divertor current) relativ zum Beginn des ELMs (ELM onset): Der Puls im Divertorstrom zeigt den ELM Ausbruch an und definiert t = 0. Wenn max(-∇n_e) sowie max(-∇T_e) gesättigt sind, setzen hochfrequente magnetische Fluktuationen ein, die als gelbes Band bei 220 kHz ab 10 ms relativ zum Beginn des ELMs bzw. direkt vor dem ELM zu sehen sind.

Grafik: IPP

Zeitliche Entwicklung der magnetischen Aktivität (∂B_r/∂t), der Gradienten von Dichte, max(-∇n_e), und Temperatur, max(-∇T_e), und des Divertorstromes (divertor current) relativ zum Beginn des ELMs (ELM onset): Der Puls im Divertorstrom zeigt den ELM Ausbruch an und definiert t = 0. Wenn max(-∇n_e) sowie max(-∇T_e) gesättigt sind, setzen hochfrequente magnetische Fluktuationen ein, die als gelbes Band bei 220 kHz ab 10 ms relativ zum Beginn des ELMs bzw. direkt vor dem ELM zu sehen sind.

Grafik: IPP

Die Entwicklung des Pedestals gibt wichtige Informationen über die Mechanismen, die das Stabilitätslimit des Pedestals bedingen und möglicherweise auch ELMs verursachen. In einer kürzlich durchgeführten Studie an ASDEX Upgrade wurde die Entwicklung der Druckprofile am Plasmarand zwischen ELMs untersucht [1]. Für alle untersuchten Plasmen wurde festgestellt, dass der Dichtegradient (max(-∇n_e) vor dem Temperaturgradienten (max(-∇T_e)) aufgebaut wird. Beide Größen sind bereits einige Millisekunden vor dem ELM gesättigt, was auf ein Festklemmen des maximalen Druckgradienten hinweist (siehe Abbildung). Dieser Abschnitt geht mit magnetischen Fluktuationen im Frequenzbereich von einigen hundert Kilohertz einher, wobei gezeigt werden konnte, dass es sich dabei um die Signatur einer Instabilität handelt, die sich im Pedestal befindet.

Die vorgestellte Arbeit wurde in einer Kooperation der Arbeitsgruppe „Physik des Plasmarands“ und der TU Wien durchgeführt. Die zugehörige Publikation [1] wurde von IOP Science als eines der Highlights der im Jahre 2016 in „Plasma Physics and Controlled Fusion“ erschienenen Artikel ausgewählt.

[1] F.M. Laggner et al., Plasma Physics and Controlled Fusion 58-6, 065005 (2016)
http://dx.doi.org/10.1088/0741-3335/58/6/065005