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Effect of Impurities on Kinetic Transport Processes in Fusion Plasmas

  • Impurity ions pose a potentially serious threat to fusion plasma performance by affecting the confinement in various, usually deleterious, ways. Due to the creation of helium ash during fusion reactions and the interaction of the plasma with the wall components, which makes it possible for heavy ions to penetrate into the core plasma, impurities can intrinsically not be avoided. Therefore, it is essential to study their behaviour in the fusion plasma in detail. Within the framework of this thesis, different problems arising in connection with impurities have been investigated. 1. Collisional damping of zonal flows in tokamkas: The effect of impurities on the collisional damping of zonal flows is investigated. Since the Coulomb collision frequency increases with increasing ion charge, heavy, highly charged impurities play an important role in this process. The effect of such impurities on the linear response of the plasma to an external potential perturbation, as caused by zonal flows, is calculated with analytical methods and compared with numerical simulations, resulting in good agreement. 2. Impurity transport driven by microturbulence in tokamaks: Fine scale turbulence driven by microinstabilities is a source of particle and heat transport in a fusion reactor. A semi-analytical model is presented describing the resulting impurity fluxes and the stability boundary of the underlying mode. The results are compared with numerical simulations. Both the impurity flux and the stability boundary are found to depend strongly on the plasma parameters such as the impurity density and the temperature gradient. 3. Pfirsch-Schlüter transport in stellarators: Due to geometry effects, collisional transport plays a much more prominent role in stellarators than in tokamaks. Analytical expressions for the particle and heat fluxes in an impure, collisional plasma are derived from first principles. Contrary to the tokamak case, where collisional transport is exclusively caused directly by friction, in stellarators an additional source of transport exists, namely pressure anisotropy. Since this term is, contrary to the contribution from friction, non-ambipolar, it plays an important role regarding the ambipolar electric field. Furthermore, the behaviour of heavy impurities in the presence of strong radial temperature and density gradients is studied, which lead to a redistribution of the impurities on the flux surfaces. As a consequence, the radial impurity flux is decreased considerably compared with a plasma in which the impurities are evenly distributed on the flux surfaces.
  • Verunreinigungen spielen eine wichtige Rolle in Fusionsplasmen, da sie auf verschiedene, üblicherweise schädliche Weise Einfluss auf den Plasmaeinschluss nehmen können. Durch die Entstehung von Heliumasche, die längere Zeit im Plasma verbleibt, während des Fusionsprozesses und die Wechselwirkung des Plasmas mit den Reaktorkomponenten, aufgrund derer schwere Teilchen tief ins Plasma vordringen können, ist die Reinhaltung des Plasmas nahezu unmöglich. Daher ist es wichtig, das Verhalten der vorhandenen Verunreinigungen in Fusionsexperimenten genau zu studieren. In dieser Dissertation wurden verschiedene Effekte, die im Zusammenhang mit Verunreinigungen auftreten, untersucht. 1. Stoßbehaftete Dämpfung von zonalen Strömungen in Tokamaks: Untersucht wurde der Einfluss von Verunreinigungen auf die stoßbehaftete Dämpfung von zonalen Strömungen in Tokamaks. Da die Stoßfrequenz für Coulombstöße mit steigender Ionenladung ansteigt, spielen schwere, hochgeladene Verunreinigungen eine wichtige Rolle. Der Einfluss solcher Verunreinigungen auf die lineare Antwort des Plasmas auf eine externe Potentialstörung, wie sie durch zonale Strömungen hervorgerufen wird, wurde mit Hilfe analytischer Methoden bestimmt und mit numerischen Simulationen verglichen. 2. Verunreinigungstransport aufgrund von Mikroturbulenz in Tokamaks: Ein semianalytisches Modell für die Verunreinigungsflüsse aufgrund von feinskaliger Turbulenz, getrieben durch Mikroinstabilitäten, sowie für die Stabilitätsgrenze der zugrundeliegenden Mode wurde hergeleitet und mit numerischen Simulationen verglichen. Sowohl die Flüsse als auch die Stabilitätsgrenze hängen stark von den Plasmaparametern wie Verunreinigungsdichte und Temperaturgradient ab. 3. Pfirsch-Schlüter-Transport in Stellaratoren: Aufgrund von Geometrieeffekten spielt stoßbehafteter Transport in Stellaratoren eine wesentlich größere Rolle als in Tokamaks. Analytische Ausdrücke für die Teilchen- und Wärmeflüsse in einem stoßdominierten Plasma (Pfirsch-Schlüter-Gebiet) wurden hergeleitet. Im Gegensatz zum Tokamak, in dem radialer Transport direkt durch Reibung hervorgerufen wird, gibt es im Stellarator eine zusätzliche Transportquelle aufgrund von Druckanisotropie. Da dieser Term im Gegensatz zum Reibungsterm nicht ambipolar ist, spielt er eine wichtige Rolle für das ambipolare elektrische Feld. Des weiteren wurde das Verhalten von schweren Verunreinigungen unter dem Einfluss starker radialer Temperatur- und Dichtegradienten untersucht, die zu einer Umverteilung der Verunreinigungen auf den Flussflächen führen. Als Folge hiervon ist der radiale Verunreinigungstransport deutlich verringert gegenüber einem Plasma, in dem die Verunreinigungen sich gleichmäßig über die Flussflächen verteilen.

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Metadaten
Author: Stefanie Braun
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000888-8
Title Additional (German):Einfluss von Verunreinigungen auf kinetische Transportprozesse in Fusionsplasmen
Advisor:Prof. Dr. Per Helander
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2010/12/20
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2010/12/10
Release Date:2010/12/20
Tag:Kinetische Transporttheorie, Verunreinigungstransport
Fusion plasmas, Impurities, Kinetic Transport Theory
GND Keyword:Fusionsplasma, Plasmaphysik
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.25.-b Plasma properties (for chemical reactions in plasma, see 82.33.Xj) / 52.25.Fi Transport properties
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.25.-b Plasma properties (for chemical reactions in plasma, see 82.33.Xj) / 52.25.Vy Impurities in plasmas
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.25.-b Plasma properties (for chemical reactions in plasma, see 82.33.Xj) / 52.25.Xz Magnetized plasmas
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.55.-s Magnetic confinement and equilibrium (see also 28.52.-s Fusion reactors) / 52.55.Hc Stellarators, torsatrons, heliacs, bumpy tori, and other toroidal confinement devices