Ontwikkeling van een geavanceeerde sonde en studie van randplasmastromingen en transport in tokamaks Development of an Advanced Probe and Study of Edge Plasma Flows and Transport in Tokamaks

摘要

Energie is de levensadem van een moderne maatschappij. Ze is noodzakelijk om aan de menselijke behoeften, de toenemende levensverwachting en de stijgende levensstandaard te blijven voldoen. Thermonucleaire kernfusie is een (bijna) niet-vervuilende, veilige en zo goed als onuitputtelijke energievorm voor de toekomst. Fusie van lichte positief geladen deeltjes (kernen) gebeurt enkel bij extreem hoge temperaturen. De brandstof (het gas) is dan volledig geïoniseerd. We spreken dan van een plasma, ook wel de vierde aggregatietoestand genoemd. Het plasmavolume kan worden beperkt en opgesloten door middel van magnetische opsluiting zoals in een ‘tokamak’. Deze fusiemachine bestaat uit een torusvormige vacuümkamer waarin sterk magnetische velden het plasma opsluit en waarin temperaturen van meer dan 100 miljoen graden kunnen worden bereikt. Het experimentele werk, voorgesteld in dit doctoraatswerk, is uitgevoerd op twee tokamaks: TEXTOR (Jülich, Duitsland) en CASTOR (Praag, Tsjechië). Het onderzoek concentreert zich op de studie van randplasma’s met behulp van elektrische sondes. De belangrijke ongewenste energie- en deeltjesverliezen, die de opsluitingstijd van het hete centrumplasma beperken, staan centraal. Sondes lijden helaas onder aan de empirische ‘wet van diagnostieken’; het ‘gemak’ van interpretatie is omgekeerd evenredig met het gemak aan implementatie. De moeilijkheid bij de interpretatie van de gemeten plasmastromen ligt in het beschrijven ervan. Hoe precies stoort de sonde lokaal het plasma? Hoe zijn de lokale plasmaparameters gerelateerd tot het ongestoorde plasma veraf? Het eerste theoretische gedeelte van deze thesis neemt een ééndimensionaal quasi-neutraal vloeistofmodel onder de loep. Het sondemodel wordt verfijnd, gevalideerd, uitgebreid en het venster van toepasselijkheid wordt nauwkeurig gedefinieerd. In het tweede deel van dit doctoraatswerk staat een nieuwe geavanceerde sonde centraal. Deze gesofisticeerde sonde is ontworpen voor het gelijktijdig meten van allerlei randplasmaparameters in de TEXTOR tokamak. We tonen aan dat deze diagnostiek accuraat en betrouwbaar is. Het simultaan meten van al deze plasmaparameters en hun fluctuaties is een wereldwijd unicum. In het laatste deel kadert in de studie naar mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de geobserveerde en ongewenste toename van deeltjestransport naar buiten toe tijdens instabiliteiten in randplasma’s. De experimentele resultaten zijn uitgevoerd op de tokamak CASTOR tijdens toegewijde experimenten van verbeterde plasmaopsluiting. Een belangrijke ontdekking is de geobserveerde dynamische koppeling tussen de parallelle plasmastroming en het radiale transport. Gelijkaardige fenomenen van niet-lineaire dynamische interacties tussen turbulent transport en parallelle stroming zijn gerapporteerd op de veel grotere tokamak JET onder compleet verschillende plasmacondities waarmee wordt gesuggereerd dat de achterliggende fysica van universele aard is. Er wordt bovendien aangetoond dat de fysica van stromingen in het randplasma nood heeft aan een driedimensionale beschrijving waarin de verscheidene componenten die het fenomeen voortbrengt dienen te worden beschouwd.