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Impurity flow measurements with Coherence Imaging Spectroscopy at Wendelstein 7-X

  • An experimental investigation of particle parallel flows has been carried out at Wendelstein 7-X (W7-X), one of the most advanced stellarators in the world. The studies are restricted to the outermost plasma region, the scrape-off layer (SOL), which is shaped to tackle the exhaust problem in vision of future fusion reactors based on plasma magnetic confinement. The aim of the measurements is to set the basis for a physics analysis of the SOL dynamics by obtaining direct information on convective heat transport, together with the assessment of the predominant flow directions of the main plasma ions and of fusion-products or wall-released impurities. In this way, a better comprehension of the interplay between the transport parallel and perpendicular to the SOL field lines can be achieved, contributing to the understanding of the effectiveness of the island divertor configuration. The chosen instrument for the experimental studies is the Coherence Imaging Spectroscopy (CIS) diagnostic, a camera-based interferometer capable of measuring 2D Doppler particle flows associated with a selected visible line from the plasma. The diagnostic is distinguished by its high time resolution and spatial coverage, allowing the visualisation and measurements of flow velocities for a full module of W7-X simultaneously. A CIS diagnostic has been fully designed for W7-X with an improved level of accuracy achieved thanks to the implementation of a new calibration source, a continuous-wave-emission tunable laser. The laser allowed a full characterization of the diagnostic and a frequent precise calibration, making the CIS system reliable for parallel flow investigations during the operational campaign OP1.2. The validity and importance of the CIS measurements have been further confirmed with dedicated simulation of the SOL plasma parameters by the EMC3-EIRENE code, and by comparisons with other edge diagnostics. The CIS results show the effects related to dynamical changes in the SOL due to impurity gas puffs or the development of a plasma current. Moreover, CIS can be used as a powerful tool to test the limits of the current theoretical models, for example in the case of forward and reversed field experiments.
  • Am Wendelstein 7-X (W7-X), einem der fortschrittlichsten Stellaratoren der Welt, wurde eine experimentelle Untersuchung von Teilchenparallelströmungen durchgeführt. Die Untersuchungen beschränken sich auf den äußersten Plasmabereich, den Scrape-Off-Layer (SOL), die so geformt ist, dass das Abgasproblem in der Vision zukünftiger Fusionsreaktoren, die auf dem magnetischen Plasmaeinschluss basieren, angegangen werden kann. Ziel der Messungen ist es, die Grundlage für eine physikalische Analyse der SOL-Dynamik zu schaffen, indem direkte Informationen über den konvektiven Wärmetransport zusammen mit der Bewertung der vorherrschenden Strömungsrichtungen der Hauptplasma-Ionen und der Fusionsprodukte oder von der Wand abgelösten Verunreinigungen gewonnen werden. Auf diese Weise kann ein besseres Verständnis des Wechselspiels zwischen dem Transport parallel und senkrecht zu den SOL-Feldlinien erreicht werden, was zum Verständnis der Wirksamkeit der Insel-Divertor-Konfiguration beiträgt. Das für die experimentellen Studien gewählte Instrument ist die Coherence- Imaging-Spektroskopie (CIS) Diagnostik, ein kamerabasiertes Interferometer, das in der Lage ist, 2D-Doppler-Teilchenströme zu messen, die mit einer ausgewählten sichtbaren Emissions-Linie aus dem Plasma assoziiert sind. Das Diagnosegerät zeichnet sich durch seine hohe zeitliche Auflösung und räumliche Abdeckung aus und ermöglicht die gleichzeitige Visualisierung und Messung von Strömungsgeschwindigkeiten für ein ganzes Modul von W7-X. Eine CIS-Diagnose wurde vollständig für W7-X entwickelt, wobei dank der Implementierung einer neuen Kalibrierquelle, eines durchstimmbaren Lasers mit kontinuierlicher Wellenemission, eine verbesserte Genauigkeit erreicht wurde. Der Laser ermöglichte eine vollständige Charakterisierung der Diagnose und eine häufige präzise Kalibrierung, wodurch das CIS-System für Parallelflussuntersuchungen während der Betriebskampagne OP1.2 zuverlässig betrieben wurde. Die Gültigkeit und Bedeutung der CIS-Messungen wurden durch eine spezielle Simulation der SOL-Plasmaparameter mit dem EMC3-EIRENE-Code und durch Vergleiche mit anderen Diagnostiken bestätigt. Die CIS-Ergebnisse zeigen die Auswirkungen dynamischer Änderungen im SOL bei Zugabe von Spurengas oder der Entwicklung des Plasmastroms. Darüber hinaus kann CIS als leistungsstarkes Werkzeug verwendet werden, um die Grenzen der aktuellen theoretischen Modelle zu testen, zum Beispiel im Falle von Feldumkehrexperimenten.

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Metadaten
Author: Valeria PerseoORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-38298
Title Additional (German):Verunreinigungsflussmessungen mit Coherence-Imaging-Spektroskopie bei Wendelstein 7-X
Referee:Prof. Dr. Thomas Sunn Pedersen, Prof. Dr. John Howard
Advisor:Prof. Dr. Thomas Sunn Pedersen
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2020
Date of first Publication:2020/06/30
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2020/06/11
Release Date:2020/06/30
Tag:Fusion, Impurities, Plasma physics, Spectroscopy
GND Keyword:Kernfusion, Plasmaphysik, Spektroskopie
Pagenumber:155
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik