Strukturbildung am Rand heißer Plasmen

Die Nachwuchsgruppe „Non-linear dynamics and structure formation at the edge of high temperature plasmas“ wird dazu beitragen, die komplexen Vorgänge am Rand eines Fusionsplasmas zu verstehen.

In der Randzone geht der heiße innere Plasmabereich, der komplett magnetisch eingeschlossen ist, in die kältere äußere Abschälschicht über, die mit der Gefäßwand in Kontakt kommt. Von den Eigenschaften des Plasmarandes hängt es daher ab, ob die Gefäßwand durch Überhitzung oder Erosion beschädigt werden kann.

In der Randschicht des Plasmas transportieren kleine Wirbel Wärme und Teilchen nach außen auf die Wand – die Wärmeisolation des Plasmas verschlechtert sich. Nichtlineare Effekte und steile Temperatur- und Dichteabfälle rufen jedoch Strömungen und Ausbrüche am Plasmarand hervor, die auf die Turbulenz zurückwirken. Zum Beispiel kann sich bei starken Scherströmungen spontan eine Barriere am Plasmarand bilden, die die Wärme- und Teilchenbewegung nach außen behindert – die Wärmeisolation verbessert sich, was wichtig ist für die Wirtschaftlichkeit eines späteren Fusionskraftwerks. Die Auslöser für Bildung und Zusammenbruch dieser Barriere sind jedoch noch nicht völlig verstanden.

 Die Nachwuchsgruppe will eine neue Messapparatur entwickeln und betreiben, die speziell den Plasmarand beobachten soll: Ein Strahl aus schweren Caesium-Atomen wird ins Plasma gelenkt. Auf ihrem Weg durch das heiße Plasma werden die Caesium-Atome ionisiert. Die entstandenen Caesium-Ionen führt das Magnetfeld der Fusionsanlage dann auf gebogenen Bahnen aus dem Plasma heraus auf einen Szintillator. Aus den dort hinterlassenen Leuchtspuren lassen sich Plasma- und Stromdichte sowie elektrisches Potential am Ort der Ionisation im Plasma bestimmen.

Um theoretische Modelle testen zu können, sind genaue Messdaten nötig, unter anderem des elektrostatischen Potentials und der Randstromdichte. Hier soll eine neuartige Schwerionensonde weiterhelfen. Die Nachwuchsgruppe will – in Zusammenarbeit mit der Universität Sevilla – die Machbarkeit der neuen Diagnostik zeigen und Messungen mit möglichst hoher Zeitauflösung erreichen.