Experimental classification of divertor detachment
Experimentelle Klassifizierung des Divertor Detachments
Avoiding damage of the divertor material by keeping the power load below a certain threshold is a major challenge for the operation of
future fusion devices such as ITER. For Tungsten, the foreseen ITER divertor target material, the
power load must be kept below 5 MW m^2 in continuous operation. This can in ITER only be achieved with the plasma
being detached or partially detached from the divertor.
Divertor detachment is characterized by a strong reduction of the ion flux to the target. WAvoiding damage of the divertor material by keeping the power load below a certain threshold is a major challenge for the operation of
future fusion devices such as ITER. For Tungsten, the foreseen ITER divertor target material, the
power load must be kept below 5 MW m^2 in continuous operation. This can in ITER only be achieved with the plasma
being detached or partially detached from the divertor.
Divertor detachment is characterized by a strong reduction of the ion flux to the target. With a reduction of the temperature,
achieved by increasing the main plasma density or by seeding additional impurities, volumetric processes such as charge exchange collisions
and recombination become dominant. These processes lead to a strong reduction of the ion flux and plasma pressure in front of the divertor target.
Although the single physical mechanisms leading to detachment seem to be understood, it was not yet possible to theoretically
simulate detachment correctly with respect to experimental observations. This means that some understanding of this process is still missing.
In the detached regime,
the region of high electron density is retracted from the target and a knowledge of the electron density distribution in the divertor
volume is necessary to understand the detachment process. In this context, a diagnostic determining the electron density in the
divertor volume, based on the spectroscopic measurement of the
Stark broadening of the Balmer lines, has been installed at ASDEX Upgrade. Initial problems with reflected stray-radiation have been
solved and first measurements were successfully compared for consistency with other diagnostics.
The detachment process was then investigated with an extensive set of density ramp discharges with different heating powers,
fuelling species and magnetic field directions. The density measurements in the divertor volume were combined with all other available
divertor diagnostics and a consistent picture of the detachment process was obtained. It was found that detachment is not a continuous
evolution
but undergoes three different states. During one of these states radiative fluctuations close to the X-point and high densities far away
from the separatrix occur. This is a situation which is not described by present day theoretical models.
Furthermore, it was shown that the conditions of both the inner and outer divertor are
strongly coupled and that the inner divertor even influences the outer divertor. This effect was not shown yet, neither experimentally
nor by theoretical simulations.
It was further discovered how additional puffing of nitrogen into the divertor, which removes power via radiation, changes the
detached divertor conditions and may even change the confined plasma conditions. The effect of an additional magnetic perturbation
field on the detachment process has also been investigated. Finally, an unstable situation was found, during which the divertor plasma
oscillates between two detachment states back and forth.
…
Eine große Herausforderung für den Betrieb zukünftiger Fusionsreaktoren wie ITER ist eine Beschädigung des Divertors zu verhindern. Dies kann nur
gewährleistet werden, indem der
Leistungsfluss auf das Wandmaterial auf einen tolerierbaren Wert reduziert wird. Im Falle des für ITER vorgesehenen Divertormaterials Wolfram
beträgt der Grenzwert des Leistungsflusses bei kontinuierlichem Betrieb 5 MW m^2. In ITER kann dies nur erreicht werden wenn das Plasma
von den Aufprallplatten des Divertors loEine große Herausforderung für den Betrieb zukünftiger Fusionsreaktoren wie ITER ist eine Beschädigung des Divertors zu verhindern. Dies kann nur
gewährleistet werden, indem der
Leistungsfluss auf das Wandmaterial auf einen tolerierbaren Wert reduziert wird. Im Falle des für ITER vorgesehenen Divertormaterials Wolfram
beträgt der Grenzwert des Leistungsflusses bei kontinuierlichem Betrieb 5 MW m^2. In ITER kann dies nur erreicht werden wenn das Plasma
von den Aufprallplatten des Divertors losgelöst, detached, ist.
Divertor Detachment ist durch eine starke Reduktion des Ionenflusses auf die Divertorplatten charakterisiert. In dem, durch Erhöhung der
Plasmadichte oder Zufuhr von Verunreinigungen, die Temperatur reduziert wird, gewinnen volumetrische Prozesse, wie Ladungsaustauschstöße
oder Rekombination, an Bedeutung. Diese Prozesse führen vor der Divertorwand zu einer starken Reduktion des Ionenflusses und des Plasmadrucks.
Obwohl die einzelnen physikalischen Mechanismen, die zu Divertor Detachment führen, verstanden zu sein scheinen, war es bis jetzt noch
nicht möglich,
experimentell beobachtete Vorgänge des Detachments mit Hilfe theoretischer Simulationen zu reproduzieren. Das lässt darauf schließen,
dass die physikalischen Vorgänge beim Übergang zum Detachment noch immer nicht vollständig verstanden sind.
Die Region hoher Elektronendichte ist beim Detachment nicht mehr direkt vor der Divertorwand. Um den Vorgang des Detachments zu verstehen, ist
die Kenntnis über die Verteilung der Elektronendichte im Divertor unabdingbar. Deshalb wurde an ASDEX Upgrade eine Diagnostik
installiert, mit der man die Elektronendichte im Divertor mit Hilfe der spektroskopischen Messung der Stark Verbreiterung der Balmer Linien
bestimmen kann. Anfängliche Probleme durch reflektierte Streustrahlung wurden behoben und die Konsistenz erster Messungen mit anderen
Divertor Diagnostiken wurde erfolgreich bestätigt.
Der Vorgang des Detachments wurde dann mittels einer umfangreichen Serie von Entladungen mit Dichterampen untersucht, bei der die Heizleistung, die
Ionen Spezies und die magnetische Feldrichtung variiert wurden. Die Dichtemessungen wurden dabei mit allen, zu Verfügung stehenden,
Divertor Diagnostiken kombiniert und ein konsistentes Bild des Detachment Vorgangs wurde gewonnen. Dabei konnte festgestellt werden, dass der
Vorgang des Detachments nicht kontinuierlich verläuft, sondern in drei verschiedene Phasen unterteilt werden kann. Während einer dieser
Phasen treten nahe des X-Punktes hoch-frequente Fluktuationen der Strahlung und hohe Elektronendichten weit entfernt von der
Separatrix auf. Diese Situation kann mit gegenwärtigen theoretischen Modellen nicht erklärt werden.
Es wurde außerdem gezeigt, dass die Bedingungen im inneren und äußeren Divertor stark gekoppelt sind. Dieser Effekt wurde bisher weder
experimentell noch mittels theoretischer Simulationen gezeigt.
Weiterhin wurde gezeigt, wie die Zufuhr von Stickstoff, wodurch Leistung im Divertor abgestrahlt wird, die Eigenschaften
des detachten Divertorplasmas und eventuell auch des eingeschlossenen Haupt-Plasmas verändert. Ferner wurde der Einfluss eines zusätzlichen
magnetischen Störfeldes auf den Vorgang des Detachments untersucht. Schließlich wurde eine instabile Situation entdeckt, während der das
Divertor Plasma zwischen zwei Detachment Phasen oszilliert.
…
| Institutes: | Physik |
|---|---|
| Author: | Steffen Potzel |
| Advisor: | Prof. Dr. Michael Kaufmann |
| Granting Institution: | Universität Bayreuth,Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik |
| Date of final exam: | 10.07.2012 |
| Year of Completion: | 2012 |
| SWD-Keyword: | Garching <München> / Max-Planck-Institut für Plasmaphysik; ASDEX; Divertor; Kernfusion |
| Tag: | Divertor Detachment; Power Exhaust |
| URN: | urn:nbn:de:bvb:703-opus4-9428 |
| Document Type: | Doctoral Thesis |
| Language: | English |
| Date of Publication (online): | 12.10.2012 |
| Licence (German): |  Creative Commons - Namensnennung-Nicht kommerziell-Keine Bearbeitung |
