Plasmaheiz- und Kontrollsystem
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Durch die beschafften Mikrowellengeräte konnten der Plasmaparameterbereich für Experimente am Stellarator TJ-K erheblich erweitert werden. Insbesondere konnte bei höheren Magnetfeldern experimentiert werden, gleichzeitig wurde es aber auch möglich, Heizverfahren bei niedrigen Feldstärken zu studieren. Dies führte zur Entdeckung einer Plasmaheizung bis zur 10. Harmonischen der Resonanzfrequenz. Da die Ausdehnung von turbulenten Strukturen über den Driftparameter ρs von der Magnetfeldstärke abhängt, konnten theoretische Vorhersagen dazu über einen weiteren Bereich untersucht werden. Solche Skalierungen sind wichtig für Vorhersagen, die den turbulenten Transport in ITER und in zukünftigen Fusionskraftwerken betreffen. Intensive Studien wurden der räumlichen Struktur der Turbulenz gewidmet. Mittels Sondenarrays wurde nachgewießen, dass nicht nur die Normalenkrümmung sondern auch die geodätische Krümmung der Magnetfeldlinien die Turbulenz beeinflusst und sich dort das höchste Transportniveau ausbildet, wo die geodätische Krümmung negativ ist. Die Struktur der Fluktuationen im Einschlussbereich wirkt sich auf die Entstehung von Dichtefilamenten, auch Blobs genannt, im Gebiet der offenen Feldlinien aus. Diese Blobs sind ein wichtiges Thema der Fusionsforschung, da sie Plasma bis auf die materiellen Wände transportieren und so das Material schädigen können. Mithilfe der beschafften schnellen Kamera ist es gelungen, die Entstehung und Propagation der Blobs genau zu untersuchen und mit Modellen zu vergleichen. Diese Arbeiten flossen auch in eine Kooperation mit dem MPI für Plasmaphysik ein, wo unser Doktorand mit den gleichen Methoden wie an TJ-K Blobs am Tokamak ASDEX Upgrade untersuchen konnte. Ein weiteres Forschungsthema, das von den erweiterten experimentellen Möglichkeiten erheblich profitiert hat, bezieht sich auf die Untersuchung von Zonalströmungen, die in Fusionsplasmen eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Turbulenz spielen. So konnte gezeigt werden, dass die Entstehung der Zonalströmungen in einem nichtlinearen Energieübertrag aus kleinskaligen Turbulenzen begründet liegt. Diese erstmalige Beobachtung, die später durch andere Experimente bestätigt wurde, hat das weitverbreitete Konzept der Dekorrelation großer Strukturen infrage gestellt und wirft somit ein neues Licht auf die Entstehungsprozesse von Transportbarrieren. Ganz wesentlich haben die neuen Mikrowellenquellen die Untersuchung zur Propagation, Absorption und Modenkonversion von elektromagnetischen Wellen in magnetisierten Plasmen beflügelt. Mithilfe der Mikrowellenquelle bei 8 GHz wurde eine Ankopplung von eingestrahlten elektromagnetischen Wellen in elektrostatische Elektron-Bernstein-Wellen erreicht. Diese Wellen können in Plasmen beliebig hoher Dichten propagieren und werden vollständig an der Elektronenzyklotronresonanz und ihrer harmonischen absorbiert. Ein toroidaler Nettostrom, der durch diese Wellen getrieben wird, konnte erfolgreich nachgewiesen und untersucht werden. Diese Art des Stromtriebs spielt z.B. bei sphärischen Tokamaks eine bedeutende Rolle. Eine Reduktion des Magnetfeldes um bis zu einen Faktor 5 erlaubt die Untersuchung von Heizung an hohen Harmonischen. Es zeigte sich, dass in diesem Heizszenario die Reduktion mit der kontinuierlichen Abnahme der Breitbandturbulenz einhergeht. Die Möglichkeit der experimentellen Untersuchung dieser Heizszenarien hat zudem die intensive numerische Untersuchung selbiger motiviert. Die Mikrowellenquellen bei 14 GHz erlauben die Untersuchung von Plasmen bei einer Magnetfeldstärke von 500 mT. Damit ist es nunmehr möglich in einem Bereich von 50 – 500 mT Plasmen zu erzeugen. Bei dem hohen Feld konnten Bereiche erhöhter Temperatur und somit verringerter Stoßraten identifiziert werden, eine Voraussetzung für das Studium stoßfreierer Plasmen. Die neue Mikrowellenquelle bei 2,45 GHz hat sich als essentiell für die Untersuchung von Nettoströmen und nichtlinearen Heizeffekten erwiesen: die Möglichkeit der Modulation der Mikrowellenleistung verbunden mit einem sauberen Frequenzspektrum ermöglicht zum einen das Herausfiltern relativ geringer Nettoströme in der Größenordnung von 1 A sowie die Identifizierung einer parametrischen Zerfallsinstabilität, die bei der Leistungsdeposition der Mikrowelle im Plasma auftritt. Die schnelle Kamera wurde weiterhin in der Abteilung Plasmatechnologie im Rahmen eines AiF/DFG- Clusters zur Visualisierung von Strömungen mittels particle image velocimetry verwendet. Zusätzlich wurde das Zündverhalten eines Plasmabrenners bei 2,45 GHz untersucht, sowie einzelne Filamente einer dielektrischen Barriereentladung zeitaufgelöst studiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Long-range correlations induced by the self-regulation of zonal flows and drift-wave turbulence. Phys. Rev. E, 82:056403, 2010
P. Manz, M. Ramisch, and U. Stroth
- Non-linear dynamics and plasma flows in a basic toroidal plasma experiment. Plasma Phys. Contr. Fusion, 52:124015, 2010
M. Ramisch, P. Manz, U. Stroth, G. Birkenmeier, S. Enge, E. Holzhauer, A. Köhn, and B. Nold
- Observation of anomalous ion heating by broadband drift-wave turbulence. Phys. Rev. Lett., 105:175004, 2010
S. Enge, G. Birkenmeier, P. Manz, M. Ramisch, and U. Stroth
- Experimental Investigation of the Magnetic Configuration Dependence of Turbulent Transport. Physical Review Letters, 107:025001, 2011
G. Birkenmeier, M. Ramisch, P. Manz, B. Nold, and U. Stroth
- Investigations of a high volume atmospheric plasma torch at 915 MHz. Surface and Coatings Technology, 225:S342-S346,2011
J. Kopecki, D. Kiesler, M. Leins, A. Schulz, M. Walker, M. Kaiser, H. Muegge, and U. Stroth
- On the interaction of turbulence and flows in toroidal plasmas. Plasma Phys. Contrnl. Fusion, 53(2):024006, 2011
U. Stroth, P. Manz, and M. Ramisch
- A link between nonlinear self-organization and dissipation in drift-wave turbulence. Phys. Plasmas, 19:082318, 2012
P. Manz, G. Birkenmeier, M. Ramisch, and U. Stroth
- Influence of temperature fluctuations on plasma turbulence investigations with Langmuir probes. New J. Phys., 14:063022, 2012
B. Nold, T. T. Ribeiro, M. Ramisch, Z. Huang, H. W. Mueller, B. Scott, U. Stroth and ASDEX Upgrade Team
- Experimental Evidence of Turbulent Transport Regulation by Zonal Flows. Phys. Rev. Lett., 110(14):145004, 2013
G. Birkenmeier, M. Ramisch, B. Schmid, and U. Stroth
- Schemes of microwave heating of overdense plasmas in the stellarator TJ-K. Plasma Phys. Contrnl. Fusion, 55(1):014010, 2013
A. Köhn, G. Birkenmeier, A. Chusov, P. Diez, A. Feuer, U. Höfel, H. Höhnle, E. Holzhauer, W. Kasparek, S. Merli, M. Ramisch, J. Seifert, S. Wolf, and U. Stroth
- Spatial structure of drift-wave turbulence and transport in a stellarator. Plasma Phys. Contrnl. Fusion, 55(1):015003, 2013
G. Birkenmeier, M. Ramisch, G. Fuchert, A. Köhn, B. Nold, and U. Stroth
- The influence of plasma edge dynamics on blob properties in the stellarator TJ-K. Plasma Phys. Contrnl. Fusion, 55(12):125002, 2013
G. Fuchert, G. Birkenmeier, B. Nold, M. Ramisch, and U. Stroth
