TY  - THES
U1  - Dissertation / Habilitation
A1  - Bähner, Jan-Peter
T1  - Core plasma turbulence in Wendelstein 7-X
N2  - This work investigates turbulence in the core plasma of the optimised stellarator
Wendelstein 7-X. It focuses on experimental characterisation and
evaluation of the electrostatic micro-instabilities, which drive turbulent fluctuations,
and the saturation of turbulence by zonal flows. Expectations for
Wendelstein 7-X are formulated by reviewing theoretical work and with
the help of gyrokinetic simulations. The experimental analysis centres on
line-integrated density fluctuation measurements with the phase contrast
imagining diagnostic in electron cyclotron heated hydrogen discharges. An
absolute amplitude calibration was implemented, and a method for reliable
determination of dominant phase velocities in wavenumber-frequency
spectra of density fluctuations has been developed. Line-averaged density
fluctuation levels are observed to vary between magnetic configurations.
The wavenumber spectra exhibit a dual cascade structure, indicating fully
developed turbulence. The dominant instability driving turbulent density
fluctuations on transport relevant scales is identified as ion-temperaturegradient-
driven modes, which are mainly localised in the edge region of the
confined plasma. Despite the line-integrated nature of the measurement, the
localisation of density fluctuations is shown by comparing their dominant
phase velocity with the radial profile of the E × B rotation velocity due to
the ambipolar neoclassical electric field. Nonlinear gyrokinetic simulations
and a simplified plasma rotation model within a synthetic diagnostic confirm
the localisation. Oscillations of the dominant phase velocity indicate
the existence of zonal flows as a saturation mechanism of ion-temperaturegradient-
driven turbulence. A direct effect on turbulent density fluctuation
amplitudes and radial transport is observed.
N2  - In dieser Arbeit wird die Turbulenz im Kernplasma des optimierten Stellarators
Wendelstein 7-X untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf der experimentellen
Auswertung der elektrostatischen Mikroinstabilitäten, die turbulente
Fluktuationen antreiben, und der Sättigung der Turbulenz durch
zonale Strömungen. Konkrete Erwartungen für Wendelstein 7-X werden
durch Zusammenfassen theoretischer Arbeiten und durch gyrokinetische Simulationen
formuliert. Die experimentelle Auswertung konzentriert sich auf
Messungen linienintegrierter Dichtefluktuationen mit der Phasenkontrastabbildungsdiagnostik
in elektronenzyklotronbeheizten Wasserstoffentladungen.
Es wurde eine absolute Amplitudenkalibrierung implementiert und eine
Methode zur zuverlässigen Bestimmung dominanter Phasengeschwindigkeiten
in Wellenzahl-Frequenz-Spektren entwickelt. Es wurde beobachtet, dass
die liniengemittelten Dichtefluktuationslevel zwischen verschiedenen magnetischen
Konfigurationen variieren. Die Wellenzahlspektren weisen eine
Doppelkaskadenstruktur auf, die auf eine voll entwickelte Turbulenz hinweist.
Die vorherrschende Instabilität, die turbulente Dichtefluktuationen
auf transportrelevanten Skalen antreibt, wird als Ionentemperaturgradientgetriebene
Moden identifiziert, die hauptsächlich in der Randregion des
eingeschlossenen Plasmas lokalisiert sind. Trotz des linienintegrierten Charakters
der Messung kann die Lokalisierung der Dichtefluktuationen durch
einen Vergleich ihrer dominanten Phasengeschwindigkeit mit dem radialen
Profil der E × B-Rotationsgeschwindigkeit aufgrund des ambipolaren neoklassischen
elektrischen Feldes gezeigt werden. Nichtlineare gyrokinetische
Simulationen und ein vereinfachtes Plasmarotationsmodell als Teil einer
synthetischen Diagnostik bestätigen die Lokalisierung. Oszillationen der
dominanten Phasengeschwindigkeit deuten auf die Existenz von zonalen
Strömungen als Sättigungsmechanismus der Turbulenz hin. Es wird eine
direkte Auswirkung auf die Amplituden der turbulenten Dichtefluktuation
und den radialen Transport beobachtet
KW  - Plasma / Turbulenz
KW  - Kernfusion
KW  - Stellarator
Y2  - 2022
U6  - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-opus-62019
UN  - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-opus-62019
SP  - 192
S1  - 192
ER  -