Verbessertes Verständnis der Turbulenz am Plasmarand durch Messungen mit einem „Ball-Pen“-Sondenkopf für hohe Wärmelasten

Turbulenz spielt in Tokamaks eine vielschichtige Rolle. Während niedrige Turbulenzniveaus notwendig sind, um guten Einschluss (H-Mode) zu erreichen, ist ein gewisses Maß an Turbulenz in der Abschälschicht für die Leistungsabfuhr von Vorteil, da es den radialen Transport erhöht und damit die Leistung über einen größeren Bereich verteilt.

Mit dem „Ball-Pen“-Sondenkopf gemessene Plasmafluktuationen:a) Verteilung der Kreuzphase zwischen Dichte- und Radialgeschwindigkeitsfluktuation als Funktion der Frequenz (die magentafarbene Linie stellt die durchschnittliche Kreuzphase dar).b) Radialer Transport als Funktion der Frequenz normiert auf die lokale Durchschnittsdichte. — Mit dem „Ball-Pen“-Sondenkopf gemessene Plasmafluktuationen: a) Verteilung der Kreuzphase zwischen Dichte- und Radialgeschwindigkeitsfluktuation als Funktion der Frequenz (die magentafarbene Linie stellt die durchschnittliche Kreuzphase dar). b) Radialer Transport als Funktion der Frequenz normiert auf die lokale Durchschnittsdichte.

Grafik: IPP

Mit dem „Ball-Pen“-Sondenkopf gemessene Plasmafluktuationen:
a) Verteilung der Kreuzphase zwischen Dichte- und Radialgeschwindigkeitsfluktuation als Funktion der Frequenz (die magentafarbene Linie stellt die durchschnittliche Kreuzphase dar).
b) Radialer Transport als Funktion der Frequenz normiert auf die lokale Durchschnittsdichte.

Grafik: IPP

Daher ist das richtige Verständnis der Turbulenzeigenschaften von grundlegender Bedeutung, wenn man verlässliche Vorhersagen über die plasmabelasteten Bereiche in zukünftigen Anlagen wie ITER machen will.

Fluktuationen der Plasmadichte und -temperatur werden häufig durch die nahezu ungehinderte Bewegung der Elektronen entlang der Feldlinien gedämpft, wodurch die lokale Plasmaneutralität gewährleistet wird. Wenn diese Reaktion nicht schnell genug ist (wie z. B. in kollisionsbehafteten Plasmen), kann die Ladungsakkumulation lokale elektrische Felder und E×B-Driften erzeugen. Radialer Transport entsteht, wenn eine Störung in der Dichte in Phase mit der radial nach außen gerichteten Geschwindigkeitsfluktuation ist. Zur Charakterisierung der Turbulenz müssen daher elektrische Feldfluktuationen mit hoher raumzeitlicher Auflösung an der "heißen" Grenze zwischen Abschälschicht und eingeschlossenem Plasma gemessen werden.

Ein neuer Sondenkopf, der aus „Ball-Pen“- und Langmuir-Sonden besteht, wurde aufgebaut, der höheren Belastungen standhält. Außerdem ermöglichen „Ball-Pen“-Sonden eine genauere Messung der elektrischen Feldstärke. Die gleichzeitige Messung der Plasmadichte und der Radialgeschwindigkeit, die in ASDEX Upgrade durchgeführt wurde, zeigt, dass der Hauptbeitrag zum turbulenten Transport von niederfrequenten Fluktuationen (unter 40 kHz) stammt, die durch eine günstige Phasenbeziehung zwischen Dichte und Radialgeschwindigkeit gekennzeichnet sind (siehe Abbildung a) und b)).

Die Publikation zu dieser Arbeit finden Sie hier:

Gustavo Grenfell, J Adamek, M Komm, D Brida, G D. Conway, P Manz, P Tolias, T Eich, A Herrmann, T Nishizawa, U Stroth, the ASDEX Upgrade team
High-heat flux ball-pen probe head in ASDEX-Upgrade
Review of Scientific Instruments 93, 023507 (2022)