Open Access

Holger Niemann

• In this work, studies with respect to the exhaust problem were performed in the stellarator experiment Wendelstein 7-X with different target concepts and different magnetic field geometries. Different infrared cameras were used to study the heat flux from the plasma onto the PFC. In the first publication, the limiter set-up was used with a simpler magnetic topology in the plasma edge. The radial fall-off of the parallel heat flux for inboard limiters in W7-X shows, similar to inboard limiters in tokamaks, two different radial fall-off lengths, a short (narrow) one, characterizing the near-SOL, and a long (broad) characterizing the far-SOL. For the far-SOL, the heating power and connection length have been identified as the main scaling parameters, while for the near-SOL, the electron temperature close to the LCFS has been identified as the main scaling parameter. The two fall-off lengths differ by a factor 10, and the found scalings for both regimes differ from known models and experimental scalings in tokamaks. A turbulent-driven feature was discussed in the publication as a possible explanation for the behavior of the fall-off length in W7-X. The gained information and data have been further used to support many other publications, covering the symmetry of the heat loads, the energy balance of the machine, and seeding experiments. The heat exhaust in W7-X with an island divertor was studied in the second and third publication. Definitions of parameters such as peaking factor and wetted area were applied for the heterogeneous heat flux pattern on the W7-X divertor. It was shown that the island divertor concept is capable of spreading out the heat efficiently, resulting in large wetted areas of up to 1.5 m2. The reached values for the wetted area are comparable to the ones of the larger tokamak JET but with a much smaller ratio of wetted area to the area of the last closed flux surface. Furthermore, a positive scaling of the wetted area with the power in the SOL was observed. This scaling is beneficial for future reactors but needs further investigation of the involved transport processes. The peaking factor (discussed in the second publication) describes how concentrated the heat load is within the region of the strike line. It was shown that this factor is decreasing for increasing densities without affecting the wetted area. The present work paves the way for further analysis of the transport processes of the heat flux towards the island divertor of Wendelstein 7-X.
• In dieser Arbeit wurden Studien im Stellarator-Experiment Wendelstein 7-X mit unterschiedlichen Zielkonzepten und unterschiedlichen Magnetfeld-Geometrien im Hinblick auf das Abfuhrproblem durchgeführt. Zur Untersuchung des Wärmeflusses vom Plasma auf die dem Plasma zugewandten Wandelementen wurden verschiedene Infrarotkameras eingesetzt. In der ersten Publikation wurde die Limiter-Anordnung mit einer einfacheren magnetischen Topologie im Plasmarand verwendet. Der radiale Abfall des parallelen Wärmeflusses für innenliegende Limiter in W7-X zeigt, ähnlich wie bei innenliegenden Limitern in Tokamaks, zwei verschiedene radiale Abfalllängen, eine kurze (schmale), die die Nah-SOL charakterisiert, und eine lange (breite), die die Fern-SOL charakterisiert. Für die far-SOL wurden die Heizleistung und die Verbindungslänge als die Hauptskalierungsparameter identifiziert, während für die near-SOL die Elektronentemperatur in der Nähe des LCFS als Hauptskalierungsparameter identifiziert wurde. Die beiden Abfalllängen unterscheiden sich um den Faktor 10, und die gefundenen Skalierungen für beide Regime unterscheiden sich von bekannten Modellen und experimentellen Skalierungen in Tokamaks. Eine turbulenzbedingte Eigenschaft wurde in der Publikation als mögliche Erklärung für das Verhalten der Fall-Off-Länge in W7-X diskutiert. Die gewonnenen Informationen und Daten wurden weiter verwendet, um viele andere Publikationen zu unterstützen, die sich mit der Symmetrie der Wärmelasten befassen, der Energiebilanz der Maschine, und Strahlungskühlungsexperimenten. Die Wärmeabfuhr in W7-X mit einem Insel-Divertor wurde in der zweiten und dritte Veröffentlichung untersucht. Definitionen von Parametern wie Zuspitzungsfaktor und benetzte Fläche wurden für das heterogene Wärmeflussmuster auf der W7-X-Divertor angewendet. Es konnte gezeigt werden, dass das Insel-Divertor-Konzept in der Lage ist die Wärme effizient zu verteilen, was zu großen benetzten Flächen von bis zu 1,5 m2 führt. Die erreichten Werte für die benetzte Fläche sind vergleichbar mit denen des größeren Tokamak JET, jedoch mit einem viel kleineren Verhältnis von benetzten Fläche bis zur Fläche der letzten geschlossenen Flussfläche. Darüber hinaus wird eine positive Skalierung der benetzten Fläche mit der Leistung in der SOL beobachtet. Diese Skalierung ist für zukünftige Reaktoren vorteilhaft, bedarf aber weiterer Untersuchungen der beteiligten Transportprozesse. Der Zuspitzungsfaktor (diskutiert in der zweiten Publikation) beschreibt, wie konzentriert die Wärmelast im Bereich der Kontaktlinie ist. Es wurde gezeigt, dass dieser Faktor mit zunehmender Dichte abnimmt, ohne den benetzten Bereich zu beeinträchtigen. Die vorliegende Arbeit ebnet den Weg für die weitere Analyse der Transportprozesse des Wärmeflusses in Richtung des Inseldivertors von Wendelstein 7-X.