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Core plasma turbulence in Wendelstein 7-X

  • 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.
  • 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

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Metadaten
Author:Dr. rer. nat. Jan-Peter BähnerORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-62019
Title Additional (German):Kernplasmaturbulenz in Wendelstein 7-X
Referee:Prof. Dr. Thomas Klinger, Prof. Dr. Akihide Fujisawa, Prof. Dr. Stefan Kragh Nielsen
Advisor:Prof. Dr. Thomas Klinger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2022
Date of first Publication:2022/05/12
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2022/05/03
Release Date:2022/05/12
GND Keyword:Plasma / Turbulenz, Kernfusion, Stellarator
Page Number:192
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik