Characterization and scaling of the tokamak edge transport barrier

Das Regime mit hohem Einschluss (H-Mode) in einem Tokamak Plasma
zeichnet sich durch eine besondere Randregion aus. Auf einem
kleinen räumlichen Bereich von 1-2 cm ändern sich die Eigenschaften
des Plasmas signifikant. In dieser Region, auch Pedestal genannt,
variieren einige Parameter um 1-2 Größenordnungen. Bisher sind die
Entstehung dieses Pedestals und seine Stabilität nur unvollständig
verstanden. Daher ist es ein Ziel dieser Dissertation, zu dem
Verständnis des Pedestals beizutragen und Skalierungen für größere
Maschinen, wie ITER oder DEMO, zu entwickeln. Mit Messungen von
verschiedenen Tokamaks - ASDEX Upgrade, DIII-D, JET - wurde eine
Pedestal-Datenbank aufgebaut. Das Pedestal wurde für alle Maschinen
mit derselben Methode charakterisiert. Dadurch erhält man den
maximalen Wert im Pedestal, seine Breite und seine Steigung,
jeweils für die Elektronendichte ne, Elektronentemperatur Te und
Ionentemperatur Ti. Diese Größen und Ableitungen davon, wie Druck
oder Einschlusszeit, wurden analysiert. Für diesen Zweck wurden
zwei verschiedene Sets von Parametern verwendet: normierte Größen
(Druck beta, Zeit nu*, Länge rho*, Form fq und technische Größen
(Ausdehnung a, magnetisches Feld Bt, Plasma Strom Ip, Heizleistung
P). Alle Ergebnisse werden durch die Wahl des Koordinatensystems
beeinflusst: normierter poloidaler Fluss PsiN oder Ortsraum r/a.
Bei beiden Parametersets wurde beobachtet, dass die Pedestalbreiten
in Elektronentemperatur und Elektronendichte unterschiedlich
skalieren. Für ITER oder DEMO würde diese Skalierung bedeuten, dass
das Temperaturpedestal deutlich breiter ist als das Dichtepedestal.
Der Druck am Pedestal zeigt verschiedene Abhängigkeiten für
Elektronen und Ionen. Die Extrapolationen zu ITER und DEMO geben
ein Te,ped von 4 keV bzw. 10 keV, allerdings ergeben sich deutlich
niedrigere Werte für die Ionentemperatur. Eine zwei-Phasen Analyse
der Energieeinschlusszeit tauE wurde angewandt, um den Beitrag des
Pedestals zur gesamten Einschlusszeit abzuschätzen. Die
Abhängigkeiten, die sich aus der Skalierung für tauE,ped ergeben,
sind nahezu identisch mit denen der IPB98 Skalierung. Dies ist ein
deutlicher Hinweis darauf, dass durch das Pedestal ein
signifikanter Beitrag zum gesamten Einschluss geleistet wird. Die
Extrapolationen zu ITER zeigen eine Einschlusszeit von 3 s, was
sich am unteren Rand der IPB98 Skalierung befindet. Die
Pedestalgradienten im Ortsraum zeigen eine deutliche Korrelation
mit den Werten am oberen Rand des Pedestals. Besonders ausgeprägt
ist diese Abhängigkeit für die Elektronentemperatur, hier wurde
zudem keine Abhängigkeit mit einem anderen Parameter beobachtet.
Die Gradienten in PsiN zeigen keine vergleichbare Korrelation. Der
normierte Druckgradient alpha, der für die Stabilität des Pedestals
wichtig ist, ist korreliert mit dem normierten Druck und der
Plasmaform. Auch andere Beobachtungen lassen auf eine wichtige
Rolle der Plasmaform schließen, was einen starken Einfluss auf
Extrapolationen haben kann. Die vorliegende Studie bestätigt, dass
die Randtransport Barriere nicht durch eine einzelne Theorie
beschrieben werden kann. Die Höhe des Pedestals in der Elektronen-
und Ionentemperatur sowie der Dichte kann separat durch
entsprechenden Transport limitiert sein, während sie zusammen durch
eine Stabilitätsgrenze limitiert sind. Gleichzeitig skaliert die
radiale Ausdehnung der Temperatur und der Dichte verschieden.