Experimental study of the zonal-flow dynamics in the magnetised plasmas of the stellarator experiment TJ-K (PDF)

Die Einschlussqualität von Plasmen in toroidalen Magnetfeldern wird maßgeblich durch den turbulenten senkrecht zum Magnetfeld limitiert.
Zonalströmungen sind dabei für die Fusionsforschung von großer Bedeutung,da vermutet wird, dass sie mit der Bildung von Transportbarrieren in Zusammenhang stehen. Diese mesoskopischen Scherströmungen tragen
auf Grund ihrer Symmetrie nicht zum turbulenten Transport bei und können durch Verscherung von Wirbeln
den radialen Transport unterdrücken.
Dabei werden Zonalströmungen in einem Selbstorganisationsprozess von der
umgebenden Plasmaturbulenz generiert indem Wirbel durch die Zonalströmung verkippt werden, was die
Scherströmung weiter antreibt. Ein Maß für die Verkippung ist der sogenannte Reynolds-Stress, wobei der radiale Gradient des Flussflächenmittels die
Antriebskraft der Zonalströmung darstellt.
Die Dynamik gleicht dabei einer Räuber-Beute-Beziehung, bei der die Driftwellen die Beute für die
Zonalströmungen sind. In Fusionsexperimenten
konnte beim spontanen Übergang in ein verbessertes Einschlussregime (H-Mode) ein verstärktes Auftreten
von Zonalströmungen mit den charakteristischen
Räuber-Beute-Oszillationen nachgewiesen werden. Die Rolle und die genaue Wirkungsweise der
Zonalströmungen bei dieser Bifurkation des
Plasmaeinschlusses sind jedoch ungeklärt.
Diese Arbeit beschäftigt sich vorwiegend mit der Untersuchung des Antriebsmechanismus
von Zonalströmungen, im Speziellen mit der Abhängigkeit
von der Magnetfeldgeometrie und dem Einfluss der Kollisionalität. Dazu wurden Messungen am
Stellarator-Experiment TJ-K durchgeführt, in
Plasmen, die dimensional ähnlich zu Randplasmen von Fusionsexperimenten sind.
Die relativ geringen Plasmatemperaturen erlauben den Einsatz von Langmuir-Sonden im gesamten Einschlussgebiet.
Mit einem poloidalen Sonden Array, bestehend aus 128
Sonden mit je 32 Sonden auf vier benachbarten
Flussflächen, können Dichte- und Potentialfluktuationen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung
gleichzeitig über den gesamten poloidalen Umfang
aufgenommen werden.