Elektromagnetisches Feld des Dynamisch Ergodischen Divertors

Das Konzept des Dynamisch Ergodischen Divertors (DED) ist eines der von der Torus Experiment for Technology Oriented Research (TEXTOR) Gruppe vorgeschlagenen fortschrittlichen Betriebsszenarien für einen Tokamak. Externe Störspulen erzeugen in der Randschicht ein helikales Feld, dessen Frequenz, je nach Betriebsart, zwischen Gleichfeld und einigen zehn Kilohertz verändert werden kann. Im niederfrequenten Betrieb hat das Tokamakplasma wenig Einfluss und der Wärmetransport im sich ergebenden vakuumartigen ergodischen Feld kann auf seine Auswirkungen auf die Verteilung der Wärmebelastung auf die Wand untersucht werden. Für mittlere bis hohe Betriebsfrequenzen werden die Eigenschaften des Plasmas immer wichtiger, insbesondere nahe der resonanten Fläche in welcher das einschließende Magentfeld parallel zu den Spulenströmen des Störfeldes ist. In diesem Betriebsbereich erwartet man einerseits gut ausgebildeten ergodischen Transport, der die Wärmebelastung zur Wand gleichmäßig verteilt und andererseits wegen der Rückwirkung des Plasmas (Skineffekt) kein zu tiefes Eindringen des Störfeldes in das zentrale Plasma und eine folgende Zerstörung der Einschlusseigenschaften. Daher ist eine konsistente Theorie für das Eindringen und für die Wechselwirkung des Störfeldes mit dem Plasma von großem Interesse. Die linearen und quasilinearen Eigenschaften dieser Feld-Plasmawechselwirkung werden untersucht. Die lineare Wellenausbreitung wird untersucht indem das System bezüglich Zeit, poloidaler und toroidaler Richtung (Modell des periodischen Zylinders) Fourier zerlegt wird. Das sich ergebende System gewöhnlicher Differentialgleichungen muss numerisch integriert werden wobei der dem Problem inherenten Steifheit besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden muss. Aus der Lösung des linearen Problems können die quadratischen Quellterme der quasilinearen Gleichung ermittelt werden. Die quasilineare Gleichung ist von diffusiver Natur, aus deren Lösung die neuen Hintergrundprofile generiert werden können. Die Lösung dieses Problems kann zum Studium der globalen Stabilität und den Transporteigenschaften verwendet werden.

Dynamisch Ergodische Divertoren (DED) wurden von der Torus Experiment for Technology Oriented Research (TEXTOR) Gruppe vorgeschlagen um eine bessere Kontrolle der Plasma Recycling Prozesse zu erzielen und gleichzeitig auch die Hitzebelastung an der äußeren Wand zu reduzieren. Im Konzept des DED erzeugen externe Spulen ein rotierendes helikales Feld am Plasmarand mit Frequenzen vom statischen Betrieb bis hinauf zu einigen Kilohertz. Wenn man das entsprechende Wellenausbreitungsproblem in ein Plasma endlicher Temperatur untersucht, sind kinetische Effekte wichtig, besonders dann, wenn die resonante magnetische Fläche (die lokalen Magnetfeldlinien sind parallel zu den externen DED Spulen) weiter im inneren liegt, wo das Plasma im wesentlichen stoßfrei ist. Im vorliegenden Projekt wird die Wechselwirkung zwischen dem rotierenden magnetischen Feld mit dem Tokamakplasma in der linearen und teilweise der quasilinearen Näherung untersucht. Der nichtlokale Leitfähigkeitsoperator des Plasmas wird in der kinetischen Theorie berechnet ohne der Notwendigkeit zusätzliche Näherungen wie zum Beispiel Quasineutralität und/oder Inkompressibilität machen zu müssen wie es in entsprechenden MHD Untersuchungen dieses Problems oft gemacht wird. Eine endliche Larmorradiusnäherung wird entwickelt, die einerseits die positiv definite Eigenschaft der Gesamtenergieabsorption im Plasmavolumen für ein Maxwellplasma sicherstellt und andererseits die Invarianz des resonanten Teils der Plasmaresponsefunktion bezüglich Galileitransformationen garantiert. Die Ergebnisse wurden verwendet um die Wechselwirkung des DED Feldes mit einem rotierendem TEXTOR Plasma mit realistischen Profilen von Dichte und Temperatur zu untersuchen. Es zeigte sich, dass der Plasmadruck einen signifikanten Einfluss auf Richtung und Wert des vom DED erzeugten Drehmomentes hat, der auf das Plasma wirkt. Speziell ist der Gradient des Elektronendruckes dafür verantwortlich, dass das Drehmoment immer in die Richtung der diamagnetischen Geschwindigkeit (diamagnetischer Plasmastrom) wirkt unabhängig von der Rotation des Störfeldes, solange das Störfeld nicht in die elektronendiamagnetische Richtung rotiert und die Frequenz höher als die elektronendiamagneitsche Frequenz ist. Speziell ist auch für nichtrotierende (statische) Störfelder ein endliches Drehmoment vorhanden. Die Ergebnisse dieses Projektes sind relevant im Zusammenhang mit den internationalen Bemühungen die Fusion als mögliche zukünftige Energiequelle zu erschließen.