Untersuchung der Wärmebelastung der ersten Wand in ASDEX Upgrade für ITER-Szenarien

Für eine materialschonende Leistungsabfuhr ist Turbulenz am Plasmarand von Vorteil. Sie unterdrückt zu steile Temperatur- und Dichteprofile am Plasmarand und vermeidet damit unerwünschte Instabilitäten, sogenannte edge localised modes (ELMs).

So wird die abgeführte Energie über eine größere Fläche verteilt. Um verlässliche Vorhersagen für ITER machen zu können, wurde mithilfe der Kühlwasserkalorimetrie die Wärmebelastung an der ersten Wand unter Ausnutzung dafür optimierter Plasma-Experimente mit hoher Genauigkeit gemessen. Es konnte erarbeitet werden, dass die Stärke der Wärmebelastung sehr gut mit dem Turbulenz-Kontrollparameter α_t korreliert, welcher aus theoretischen Überlegungen abgeleitet worden ist. α_t ist ein neu eingeführter Parameter, der den Turbulenzgrad an der Separatrix beschreibt.

Die Abbildung stellt diesen Zusammenhang dar: die x-Achse zeigt den gemessenen α_t-Wert, die y-Achse die Stärke der Wärmebelastung an der ersten Wand. Die Wandbelastung wird durch die Gesamtsumme der kalorimetrisch erfassten Energie normiert und hier in Prozent angegeben. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ergeben sich für niedrigdichte H-Moden mit ELMs (α_t < 0.2) ca. 6 % der Energie an der ersten Wand und für präferierte hochdichte ELM-freie Entladungen mit starkem turbulentem Transport (α_t > 0.8) ca. 16 %. Die hier vorgestellten Messungen sind in guter Übereinstimmung mit der Abschätzung einer früheren Studie.

Für die Nutzung solcher hochdichte ELM-freien Plasmen in ITER oder zukünftigen Fusionsreaktoren muss diese zusätzliche Wärmebelastung der ersten Wand berücksichtigt werden, um eine materialschonende Auslegung der Wandkomponenten zu ermöglichen.

Die Publikation zu dieser Arbeit finden Sie hier: A. Redl et al., Energy load on first wall components in high density small ELM regimes in ASDEX Upgrade,  Nuclear Materials and Energy 34, 101319 (2023)