New operational spaces for the Electron Cyclotron Resonance Heating at ASDEX Upgrade

In dieser Arbeit wurden Heizszenarien der Elektronzyklotronresonanzheizung (ECRH) für neue Parametergebiete am Tokamak ASDEX Upgrade im Hinblick auf ITER entwickelt. Die ECRH wird seit dem Umbau des Materials der ersten Wand von Kohlenstoff zu Wolfram auch für die Kontrolle der Wolframkonzentration im Plasmazentrum gebraucht. In ITER-relevanten Entladungen an ASDEX Upgrade wird der Einsatz der ECRH in der üblich verwendeten außerordentlichen Mode an der zweiten Harmonischen (X2-Mode) jedoch begrenzt. Durch die beim ITER-Szenario gleichzeitig benötigte hohe Dichte und hohe Verdrillung des Magnetfeldes, die durch kleine Werte des Sicherheitsfaktors ausgedrückt werden kann, kommt es bei gutem Einschluss zu einem Überschreiten der Cutoff-Dichte der X2-Mode. Dadurch wird die Mikrowelle vor dem Erreichen der Resonanz reflektiert und kann nicht mehr zur zentralen Heizung oder zur Kontrolle der Wolframkonzentration eingesetzt werden. Eine Möglichkeit dieses Problem zu überwinden, ist die Reduzierung des Magnetfeldes und der Absorption der Wellen an der dritten harmonischen Resonanz. Durch die Abhängigkeit des Cutoffs vom Magnetfeld lassen sich so Plasmen bis zu einer 1/3 höheren Dichte heizen. Jedoch konnte mit Raytracing- und Beamtracing-Programmen nur eine zentrale Absorption von ca. 60-70 % an der dritten harmonischen Resonanz ermittelt werden. Die nicht absorbierte ECRH-Leistung ist wegen ihrer hohen Leistungsdichte für mikrowellensensitive Bauteile in ASDEX Upgrade gefährlich. Eine Optimierung des Magnetfeldes von 1,7 T auf 1,8 T kann die Streustrahlung minimieren, indem die am Rand liegende zweite harmonische Resonanz als Strahlensumpf genutzt wird. Die Depositionsregion der dritten Harmonischen bleibt dabei für die Unterdrückung der Wolframakkumulation zentral genug. Dieses Szenario konnte anhand von Experimenten durch die Betrachtung der Streustrahlung und Elektronentemperatur bei zwei verschiedenen Magnetfeldstärken (1,7 T und 1,8 T) verifiziert werden. Auch die Abhängigkeit der Wolframakkumulation von der ECRH-Leistung konnte experimentell gezeigt werden. Mit diesen Ergebnissen war es erstmals möglich, ITER-relevante Entladungen bei kleinem Sicherheitsfaktor an ASDEX Upgrade zu fahren. Die in dieser Arbeit betrachteten ITER-Parameter wurden erreicht und teilweise auch übertroffen. Neben dem verringerten Magnetfeld und der Verwendung der dritten harmonischen Resonanz ist es aber auch möglich, zentral an der zweiten Harmonischen in der ordentlichen Polarisation (O2-Mode) zu heizen. Dadurch ist das Anwenden der ECRH bis zur doppelten Dichte möglich. Es besteht jedoch auch mit der O2-Mode das Problem der unvollständigen Absorption der Heizwellen bei den an ASDEX Upgrade erreichbaren Plasmaparametern. Im Gegensatz zum X3-Szenario kann hierbei jedoch nicht auf einen Strahlensumpf zurückgegriffen werden. Dies erfordert ein eigens für die O2-Mode entwickeltes Heizszenario. Hierbei werden die durchscheinenden Anteile der O2-Strahlen an Spiegeln an der inneren Wand an ASDEX Upgrade reflektiert und so weitere zentrale Plasmadurchgänge realisiert. Mit Beamtracing-Rechnungen konnte eine Steigerung der Absorption von 80 % auf 94 % berechnet werden. Für dieses Heizszenario mussten spezielle Spiegel entwickelt und gebaut werden, die einige Bedingungen erfüllen mussten. Die Spiegel mussten sich z. B., erosionsbedingt und um das Plasma nicht zu verunreinigen, an die innere Wand anschmiegen. Ferner mussten die Spiegel polarisationserhaltend sein, d. h., die Reflexion musste ebenfalls in ordentlicher Polarisation erfolgen. Diese Anforderungen erfüllen nur sogenannte holografische Gitterspiegel, die eine Optimierung der Gitterprofile mittels des Verfahrens der Differenziellen Evolution bedingen. Die theoretischen Reflexionseigenschaften der Spiegel konnten vor dem Einsatz an ASDEX Upgrade experimentell bestätigt werden. In Plasmaentladungen kann es aber wegen unvorhersehbarer Dichteänderungen zu einer Bewegung der Strahlen auf den Spiegeln kommen. Um die Position der Strahlen auf den Spiegeln zu kontrollieren, wurde eine Echtzeitsteuerung zur Nachführung der Strahlen, basierend auf Thermoelementen, entwickelt. Experimente zeigten die erfolgreiche Nachführung der Strahlen in ITER-relevanten Entladungen. In Modulationsexperimenten konnte die höhere Absorption im Plasmazentrum nachgewiesen werden und so das O2-Heizungszenarios verifiziert werden. Mithilfe der Temperaturantwort der Thermoelemente war auch die experimentelle Überprüfung der theoretisch berechneten Absorption möglich. Diese Ergebnisse erlaubten erste Entladungen mit niedrigem Sicherheitsfaktor und der O2-Heizung. Durch die hohe zentrale Wellenheizung und das Einblasen von Deuterium war es möglich, die Wolframkonzentration weiter zu reduzieren. Die betrachteten ITER-relevanten Parameter konnten erreicht und teilweise übertroffen werden.In this thesis, new electron cyclotron resonance heating (ECRH) scenarios were developed for an extension of the operational space at the tokamak ASDEX Upgrade in view of ITER compatibility. In the last years, the first wall material at ASDEX Upgrade was changed from graphite to tungsten, and the ECRH is needed to control the tungsten concentration in the plasma core. But, in ITER-like plasma discharges at ASDEX Upgrade, the usage of the ECRH in the typically used second harmonic extraordinary polarised mode (X2 mode) is limited. In these ITER-scenarios a small safety factor should be achieved, which implements an increase of the plasma current at ASDEX Upgrade. A higher plasma current and a high confinement lead to a raised density and for the ITER scenario to an electron density above the cutoff of the X2 mode at ASDEX Upgrade. Therefore, the X2 mode is reflected at the cutoff layer and cannot be used for central heating and the control of the tungsten concentration. One possibility to overcome this problem is to apply the third harmonic mode at reduced magnetic field. Here the cutoff is increased by 33% due to the dependence on the magnetic field. However, at the reachable plasma parameters at the reduced field the absorption of the X3 mode is incomplete (60-70 %) and the shine-trough power can destroy microwave sensitive components in ASDEX Upgrade. To solve this problem the magnetic field has to be optimized. A slightly increased magnetic field from 1.7 T to 1.8 T moves the second harmonic resonance in the region of confined plasma with high temperatures and density, so that this resonance can act as beam dump. The deposition in the plasma core is still central enough for the tungsten control ability of the ECRH. The benefit of the beam dump was verified in experiments with two different magnetic fields (1.7 T and 1.8 T). In case of the higher magnetic field, the stray radiation was reduced; simultaneously the electron temperature was increased. In addition, the tungsten control capability was proven. With these results it was possible to drive ITER-relevant discharges at a safety factor of 3 at the tungsten coated ASDEX Upgrade. The ITER-relevant parameters were successfully achieved. Another way to reach a safety factor of 3 with heating at the second harmonic resonance is to change the polarisation of the injected wave to the ordinary polarisation. With this O2 heating, the cutoff density is increased by a factor of two. However, the O2 mode also suffers from incomplete absorption. Here the possibility of a beam dump at the plasma edge is not available, instead the power of the O2 beams, which shine through the plasma, have to be reflected at mirrors at the inner column of ASDEX Upgrade. With these mirrors, the absorption can be increased from 80 % (single pass) up to 94 %. However, the reflectors have to fulfil some conditions, which are necessary for a safe operation in ASDEX Upgrade. For example, the mirrors have to be conformal to the inner wall, must not suffer from erosion and disturb or pollute the plasma. In addition, the polarisation should not be changed during reflection. Hence, special holographic mirrors have to be designed, where each grating profile was optimized with a differential evolution algorithm. The manufactured mirrors (graphite with tungsten coating) show a good agreement with the theoretical predictions. However, in plasma operation the O2 beams can move on the holographic mirrors because of unexpected density changes. To control the positions of the beams on the mirrors, a detections system based on thin thermocouples was installed. In high-power experiments, the operational capability of the real-time control was demonstrated. The validity of the O2 heating scenario and the benefit of the second pass through the plasma centre were demonstrated in modulation measurements. It was also possible to verify the theoretically calculated absorption with the temperatures measured with the thermocouples. These results allowed first discharges with low safety factors and O2-mode heating. Due to strong central wave heating and deuterium gas puff, the tungsten concentration in these discharges was further reduced and ITER like parameters could be achieved