Elektrostatische Turbulenz in magnetisierten Plasmen

Forschungsprojekt P 14545Eledtrostatische Turbulenz in magnetisierten PlasmenRoman SCHRITTWIESER09.10.2000 Die Erforschung eines Fusionsplasma mit dem Fernziel, die zukünftige Energieversorgung der Menschheit aus der Kernfusion sicher zu stellen, ist eines der wichtigsten Ziele der Plasmaphysik. Besonders die Untersuchung des radialen Teilchenverlustes aus einem heißen Fusionsplasma stellt immer noch eine große Herausforderung dar. Trotz enormer wissenschaftlicher Anstrengungen sind die Gründe für den unerklärlich starken Teilchenverlust, der den magnetischen Einschluss schwächt und die Erreichung der sogenannten "Breakeven"-Bedingung erschwert, weit von einem umfassenden Verständnis entfernt. Ein wichtiger Verlustmechanismus sind starke elektrostatische Fluktuationen in der sogenannten "Scrape-off"- Schicht eines magnetisch eingeschlossenen Plasmas. Diese Fluktuationen des elektrischen Feldes führen zu einem turbulenten Transport in der Randschicht eines Plasmas, dessen Mechanismus intensiver Untersuchungen nicht nur in Fusionsplasmamaschinen sondern auch in Laborplasmaapparaturen bedarf. Zu diesem Zweck ist die Messung des elektrischen Feldes, und hier insbesondere die Bestimmung der Kreuzkorrelation zwischen den radialen und poloidalen Komponenten des fluktuierenden Anteils sehr wichtig. Dies ist von besonderer Wichtigkeit für den Übergang zwischen der L- und H-Mode (also für den Übergang vom "low density" zum "high density" Arbeitsbereich) eines Tokamaks. Außerdem hat eine Verscherung des poloidalen Teilchenflusses eine stabilisierende Wirkung auf den turbulenten Transport. Einer der Mechanismen, um eine Verscherung zu erreichen, ist ein radial veränderlicher Reynoldsstress. Das wichtigste Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes ist eine Bestimmung des Reynoldsstresses in verschiedenen Plasmapparaturen, und dies soll in Zusammenarbeit mit zwei Europäischen Fusionsplasmalaboratorien (in Lissabon und in Madrid) und mit drei Europäischen Laboraplasmagruppen (die Gruppe des Antragstellers, also die Innsbrucker Experimentelle Plasmaphysikgruppe - IEPPG), der Gruppe in Iasi, Rumänien, und jene in Ljublana, Slowenien, geschehen. Um das elektrische Feld zu bestimmen, soll ein für die Fusionsplasmaphysik neuartiges plasmadiagnostisches Instrument verwendet werden, nämlich sogenannte elektronenemissive Sonden, nach dem besonderen Herstellungsverfahren der IEPPG. Nur mit so einem Sondentyp ist eine Bestimmung des Plasmapotentiales (und damit, mit Hilfe von mehreren Sonden, eine Bestimmung des elektrischen Feldes) ohne großen systematischen Fehler möglich. Im Rahmen des Projektes ist auch eine Verbesserung des Herstellungsverfahrens spezieller für ein Fusionsplasma geeigneter emissiver Sonden geplant. Zusätzlich soll auch der radiale Teilchentransport gemessen und mit dem experimentell bestimmten Reynoldsstress korreliert werden. Auf diese Weise sind wesentliche neue Einsichten in die Entstehung von Plasmaturbulenz zu erwarten.

Zusätzlich zu Randschichtturbulenz, dem hauptsächlichen Thema dieses Forschungsprojektes, wurden zwei weitere plasmaphysikalische Themen behandelt: (i) die Untersuchung und Weiterentwicklung von elektrischen Plasmasonden und (ii) die Entstehung komplexer Raumladungsstrukturen. Auf allen drei Gebieten war der Fortschritt und Erfolg des Projektes außergewöhnlich. Elektrische Plasmen sind ionisierte Gase, und der Plasmazustand wird auch der vierte Aggregatzustand genannt. Moderne Plasmaphysik ist essentiell für die Kernfusion, technische und bio-physikalische Anwendungen und für das Weltraumplasma. Es gibt zahlreiche industrielle Fertigungstechniken, die Plasmen verwenden. Andererseits wird Fusionsenergie eine mögliche Alternative als praktisch unerschöpfliche Energiequelle für die Zukunft. Elektrostatische Turbulenz ist ein weit verbreitetes Phänomen eines Plasmas, die vor allem bei Gradienten der Dichte und des Plasmapotentials auftritt. Dort kann Turbulenz zu erhöhtem Plasmaverlust führen. Dies ist besonders ungünstig im Fall eines Fusionsplasmas, das bei hohen Dichten und Temperaturen eingeschlossen werden muss, um durch Fusionsprozesse mehr Energie zu erzeugen, also man ihm vorher zugeführt hat, um es in diesen Zustand zu bringen. Unsere Untersuchungen waren Teil der Assoziation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften mit dem EURATOM-Fusionsprogramm. Die Experimente wurden an Fusionsapparaturen in Portugal, Spanien, Tschechien und Deutschland durchgeführt. Es gelang uns, wichtige Parameter im Randplasma zum ersten Mal simultan direkt zu messen, insbesondere den radialen, durch Fluktuationen erzeugten Teilchenfluss und den Reynoldsstress. Wir fanden Hinweise für die Richtigkeit der theoretischen Annahme, dass ein radialer Gradient des Reynoldsstress` den Teilchenfluss vermindert. Die ist eine sehr wichtige Erkenntnis, die direkt für das zukünftige große Fusionsexperiment ITER (International Tokamak Experimental Reactor) von Bedeutung ist. Um die oben genannten Plasmaparameter zu messen, mussten wir teilweise auch die nötigen diagnostischen Instrumente neu entwickeln. Dies waren spezielle Plasmasonden, die Elektronen emittieren können. Auf diese Weise ist eine direkte Bestimmung des Plasmapotentiales möglich. Wir waren weltweit die erste Gruppe, die elektronenemissive Sonden in Fusionsexperimenten verwendet hat, und wir haben damit nicht nur bei der Untersuchung von Randschichtturbulenz Pionierarbeit geleistet sondern auch bei der Entwicklung von plasmadiagnostischen Werkzeugen. Das dritte Thema des Projektes war der Untersuchung komplexer Raumladungsstrukturen gewidmet, wie sie in unter dem Einfluss von Strömen oder Teilchenstrahlen in allen Plasmaarten auftreten können. Die wichtigsten Objekte unserer Forschungsarbeiten waren so genannte Feuerbälle vor zusätzlichen Anoden in einem Entladungsplasma. Auch in diesem Fall haben wir wichtige Entdeckungen gemacht, die zu einem neuen und besseren Verständnis derartiger Phänomene geführt haben. Unsere Gruppe war eine den ersten, die mehrfache Feuerbälle beobachtet haben, die entweder als konzentrische Schichten oder als nebeneinander liegende Strukturen erscheinen können.