Dependence of tokamak confinement on ELM power loss

Abstract

Zusammenfassung in deutscher SpracheDie Energie-Einschlusszeit TE ist eine Messgröße, die beschreibt, wie lange Energie in einem Plasma eingeschlossen bleibt. Studien für die Tokamak-Einschlusszeit mit mehreren Tokamaks wurden verwendet um Skalierungen abzuleiten, die auf sogenannten Engineering-Parametern beruhen. Der Vergleich zwischen gemessener und errechneter Einschlusszeit resultiert in dem sogenannten H-Faktor, welcher den Wert eins annimmt, wenn die Skalierung perfekt ist. Ein H-Faktor, der niedriger als eins ist beschreibt ein Szenario, in welchem das Plasma für den Teilcheneinschluss schlechtere Eigenschaften aufweist als berechnet. Das Auftreten von sogenannten Edge Localised Modes (ELMs), also von lokalisierten Moden im Plasmarand, in der High Confinement Mode eines Tokamaks beschränkt die Größe der Randtransportbarriere, welche auch Pedestal (Podest) genannt wird. Ein Zusammenbruch wegen einer ELM ist mit Teilchen- und Energietransport aus dem Plasma hinaus assoziiert und passiert, wenn ein kritischer Pedestaldruckgradient erreicht wird. Den Messungen und Skalierungen zufolge hat die Erhöhung der Heizleistung einen negativen Effekt auf TE. Jedoch wurde bislang noch nicht evaluiert, in welcher Form die durch ELMs verlorene Leistung Skalierungen der Einschlusszeit beeinflusst. In dieser Masterarbeit wurde die Skalierung der Energie-Einschlusszeit durch das Einbeziehen ebendieser Leistung recharakterisiert. Es wird mithilfe von ASDEX-Upgrade Messungen gezeigt, dass keine Verbesserung der Skalierung erreicht wird. Eine höhere Standardabweichung im H-Faktor für Preduced = Pheat - PELM verglichen mit dem H-Faktor für die Pheat-Skalierung unterstützen diese Beobachtung. Um die Skalierungen interpretieren zu können, wurden Parameterkorrelationen - zum Beispiel für Pheat oder die Verlustleistung durch ELMs - berechnet. Des Weiteren wurde versucht Skalierungen für die ELM-Verluste, welche in die Anteile der ELM-Frequenz und des Energieverlusts aufgeteilt wurden, zu finden. Jedoch war die Interpretation dieser Skalierungen problematisch, da sie, wie durch einen hohen RMS-Fehlerwert beschrieben wird, unpräzise zu sein scheinen. Hinweise für einen positiven Trend zwischen den ELM-Verlusten und dem Pedestaldruck werden jedoch gezeigt.The energy confinement time TE is a measure of how long energy remains in a plasma. Multi-machine studies of TE have been used to derive a scaling law for tokamak confinement based on engineering parameters. Comparing the measured confinement time to the predicted confinement time results in the H-factor, which is equal to one if the scaling is perfect. An H-factor of less than one describes a scenario where the plasma does not perform as well as predicted. The occurence of Edge Localised Modes (ELMs) in the high confinement mode of a tokamak limits the height of the edge transport barrier, known as the pedestal. A crash due to an ELM is associated with particle and energy transport outwards of the confined region and occurs when a critical pedestal pressure gradient is reached. According to measurements and scalings, increasing the input power has a negative effect on E. But the effect of the power lost due to ELMs on the confinement time has so far not been taken into account for scalings of the energy confinement time. In this thesis, the energy confinement time scaling is recharacterised by including the power losses due to ELMs and it is shown, using data from ASDEX Upgrade, that no improvement can be seen by doing so. A higher deviation in the H-Factor for Preduced = Pheat -PELM compared with the H-factor of the Pheat scaling attest to this finding. In order to be able to interpret the scalings, parameter correlations, e.g. for the heating power and the ELM loss power, have been computed. It was also tried to find scaling laws for ELM losses, which were split into scalings for the ELM frequency and for the energy loss due to ELMs. These scalings however were more difficult to interpret and were found to be more inaccurate resulting in a high root-mean-square error. Indications will be presented which show a positive trend between ELM losses and the pedestal pressure.6