Randplasmaturbulenz

Eines der wichtigsten Ziele der modernen Plasmaphysik ist die Verwirklichung der Gewinnung von elektrischer Energie aus der Verschmelzung leichter Atomkerne in einem heißen magnetisch eingeschlossenen Plasma. Leider stellt jedoch insbesondere der radiale Teilchenverlust eines derartigen Plasmas immer noch ein großes Problem dar. Zwar gab es intensive theoretische und experimentelle Anstrengungen, um die Gründe für die hohen Teilchenverluste zu klären, die den magnetischen Einschluss beeinträchtigen, dennoch sind diese Effekte weit davon entfernt, umfassend verstanden zu werden. Der wichtigste Verlustmechanismus wird von starken Fluktuationen der elektrischen und/oder magnetischen Felder im Randgebiet eines magnetisch eingeschlossenen Plasmatorus` oder -zylinders verursacht. In toridalen magnetisierten Plasmen bei hohen Dichten sind es die so genannten ELMs (edge localized modes), das sind Ausbrüche von Fluktuationen hoher Amplituden, die zu den stärksten Verlustereignissen führen. Für ein besseres Verständnis und für die Entwicklung von besseren theoretischen Modellen dieser Phänomene, insbesondere von ELMs, ist es von größter Wichtigkeit, diese Fluktuationen im Randschichtplasma so genau wie möglich und mit guter zeitlicher und räumlicher Auflösung zu bestimmen. Der Hauptzweck des Projektes ist es daher das Plasmapotential, das elektrische Feld, die Plasmadichte, die Elektronen- und Ionentemperaturen und die magnetischen Fluktuationen in verschiedenen Plasmaapparaturen zu messen, insbesondere in zweien mit toroidaler und einer mit zylindrischer Geometrie, um die Ergebnisse miteinander und mit Computersimulationen vergleichen zu können und verbesserte Modelle für den Randschichtplasmatransport zu entwickeln. Dies soll in Zusammenarbeit mit vier europäischen Plasmaforschungsinstitutionen (in Prag, Tschechien, Greifswald, Deutschland, Garching bei München, Deutschland, und Risø, Dänemark) durchgeführt werden. Um das elektrische Feld zu messen, sollen neue plasmadiagnostische Verfahren angewendet werden, die von uns entwickelt wurden. Dies sind verschiedenen Arten von elektrischen Plasmasonden, insbesondere elektronenemissive Sonden. Mit derartigen Sondentypen kann das Plasmapotential (und damit auch das elektrische Feld, wenn mehrere dieser Sonden verwendet werden) mit höherer Genauigkeit und schneller bestimmt werden als mit den bisher verwendeten kalten Sonden. Außerdem sollen noch komplexere Tunnel- und so genannte "ball-pen"-Sonden verwendet werden, mit denen auch die Ionentemperatur senkrecht und parallel zum Magnetfeld bestimmt werden kann. Um auch die Fluktuationen des magnetischen Feldes zu bestimmen sollen Anordnungen von drei Mirnov-Spulen verwendet werden, mit denen das magnetische Feld in allen drei Raumrichtungen gemessen werden kann. Nach sorgfältiger Auswertung der Daten und Vergleich mit entsprechenden Computersimulationen erwarten wir uns neue Einblicke in den Randschichtplasmatransport und in die Natur von ELMs von verschiedenem Typus.

Plasma, als der sogenannte vierte Aggregatzustand, ist von zunehmender Bedeutung für zahlreiche Aspekte der Grundlagenforschung, Energiephysik und Technologie. Plasmen sind für die Herstellung von nanointegrierten Schaltkreisen, Oberflächenbehandlung (vor allem Beschichtung, Ätzung und Modifikation der Oberflächenenergie), medizinische Anwendungen, Lichtquellen, Abfallverwertung und viel andere industrielle Anwendungen bereits unverzichtbar. Extrem heiße, magnetisch eingeschlossene Plasmen werden in zukünftigen Fusionsreaktoren das Medium für die Umwandlung nuklearer Bindungsenergie in verwertbare Energie sein. Derartige Reaktoren werden bald für die Menschheit lebenswichtig werden, um die künftige Versorgung mit günstiger, verlässlicher, sauberer und CO2-freie Energie sicherzustellen. Der Titel des Projektes war "Turbulenz im Randbereich magnetisierter Plasmen". Während der Durchführung des Projektes wurde dieses relativ beschränkte Thema jedoch auf benachbarte Gebiete ausgedehnt. Daher wurden in diesem Projekt vor allem die vier folgenden verschiedenen Aspekte der modernen Plasmaphysik behandelt: Turbulenzgetriebener Plasmatransport quer zum Magnetfeld vor allem in Tokamaks: Mit Hilfe von Sonden, die von der Innsbrucker Experimentellen Plasmaphysikgruppe (IEPPG) entwickelt worden waren, wurden in Zusammenarbeit mit einigen europäischen Fusionsforschungszentren (Lissabon, Prag, Padua und vor allem mit dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik [IPP] in Garching bei München) in kleinen und mittleren Tokamaks zahlreiche Untersuchungen radialer Plasmaverluste quer zum Magnetfeld unternommen (siehe auch den nächsten Punkt). Insbesondere im ASDEX Upgrade (IPP) wurden viele neue Erkenntnisse über turbulenzgetriebenen Teilchentransport, Reynoldsstress und den radialen Transport von poloidalem Drehimpuls gewonnen. Diese Erkenntnisse waren besonders für ein besseres Verständnis starker Transportereignisse in Form der sogenannten Edge-Localized Modes (ELMs) in der H-mode von Tokamaks bedeutend. Weiterentwicklung und Untersuchung von verschiedenen Plasmasonden für magnetisierte und unmagnetisierte Plasmen: Elektronenemissive Sonden, insbesondere lasergeheizte emissive Sonden wurden weiter untersucht und -entwickelt. Was den Gebrauch emissiver Sonden in kleinen Tokamaks und die Entwicklung von lasergeheizten emissiven Sonden betrifft, so hat die IEPPG Pionierarbeit geleistet. Für ASDEX Upgrade wurde ein Sondenkopf mit einigen kalten Sonden und einer magnetischen Dreifachspule entwickelt und in zahlreichen grundlegenden Transportmessungskampagnen verwendet (siehe oben unter (1)). Auch an weiteren Untersuchungen mit sogenannten Ball-Pen-Sonden in Tokamaks (COMPASS, Prag, und ASDEX Upgrade) war die IEPPG beteiligt. Niederfrequente Instabilitäten und Fluktuationen in magnetisierten Plasmen: In verschiedenen magnetisierten Plasmaapparaturen, vor allem in der Innsbrucker Q-Maschine (der einzigen Apparatur dieses Typs in Europa) wurden drei typische niederfrequente Instabilitäten und deren Wechselwirkung intensiv untersucht. Dies waren die Potentialrelaxationsinstabilität, die elektrostatische Ionenzyklotroninstabilität und die Kelvin-Helmholtz-Instabilität. Lokalisierte Potentialstrukturen und deren nieder- und hochfrequente Fluktuationen in magnetisierten und unmagnetisierten Plasmen: Interessante Untersuchungen von sogenannten Feuerbällen wurden unternommen und publiziert und stießen auf großes Interessen von Fachkollegen. Feuerbälle sind nichtlineare lokalisierte Potentialstrukturen, die von zusätzlichen kleinen Elektroden in einem dünnen Hintergrundplasma erzeugt werden können. Diese Elektroden werden gegenüber dem Hintergrundplasma entweder positiv oder negativ vorgespannt. Wenn kleine Drahtkäfige oder starke Permanentmagnete als Elektroden verwendet werden, ergeben sich besonders faszinierende und ästhetisch anziehende leuchtende Plasmaformen. Diese Untersuchungen waren auch für ein besseres Verständnis von Plasmasonden von Wichtigkeit.