Experimental classification of divertor detachment

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Potzel, Steffen:
Experimental classification of divertor detachment.
Bayreuth , 2012
( Dissertation, 2012 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

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. 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.

Abstract in weiterer Sprache

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 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.