Influence of RF heating and MHD instabilities on the fast-ion distribution in ASDEX Upgrade

Schnelle, supra-thermische Ionen stellen einen leistungsstarken Mechanismus zur Plasmaheizung dar. Durch Coulombstose geben sie ihre Energie an das Hauptplasma ab, wahrend sie selbst abgebremst werden. In aktuellen Plasmaexperimenten werden schnelle Ionen durch Neutralteilcheninjektion und Ionenzyklotronresonanzheizung (ICRH) erzeugt. In zukunftigen Fusionsreaktoren wird das selbststandige Brennen des gezundeten Plasmas durch schnelle α-Ionen aus Fusionsreaktionen ermoglicht. Daruberhinaus konnen schnelle Ionen benutzt werden, um Plasmastrom und -rotation zu treiben. Fur den Erfolg zukunftiger Fusionsanlagen (wie ITER und DEMO) ist es daher entscheidend, die Physik schneller Ionen zu verstehen, um deren sicheren Einschluss zu gewahrleisten. Die vorliegende Arbeit beschaftigt sich mit theoretischen und experimentellen Aspekten. Ein Modell zur raschen Berechnung der Verteilungsfunktion schneller Ionen wurde entwickelt, basierend auf einer Kombination bereits existierender Codes und analytischen Losungen. Der vergleichsweise niedrige numerische Aufwand ermoglicht es, die Verteilungsfunktion der schnellen Ionen fur viele Plasmaentladungen zu rechnen, was dazu benutzt wird, um die Rekonstruktion des Plasmagleichgewichts zu verbessern. Die experimentellen Untersuchungen zur Physik schneller Ionen wurden am Tokamak ASDEX Upgrade mittels einer FIDA (Fast Ion D-Alpha) Diagnostik durchgefuhrt. Diese Diagnostikmethode benutzt Ladungsaustauschreaktionen, um die Ionen unter Beibehaltung ihres Impulses in neutrale Atome umzuwandeln. Deren Lichtemission wird durch optische Elemente in der Maschine gesammelt und mit Spektrometern analysiert. Im Spektrum erkennt man schnelle Ionen an ihrer starken Doppler-Verschiebung und die Form des Spektrums erlaubt Ruckschlusse uber die Geschwindigkeitsverteilung. Da die Doppler-Verschiebung durch eine Projektion des Ionengeschwindigkeitsvektors auf die Sichtlinie gegeben ist, sind Sichtlinien aus verschiedenen Beobachtungsrichtungen notig, um den ganzen Geschwindigkeitsraum abzudecken. Deshalb wurde die FIDA Diagnostik von drei auf funf Sichtliniengruppen ausgebaut und das Spektrometer wurde modifiziert, um eine gleichzeitige Beobachtung von blau- und rotverschobenem Licht zu ermoglichen. Diese Erweiterungen erlauben es, die 2D Geschwindigkeitsverteilung der schnellen Ionen an mehreren wohldefinierten Messpositionen tomografisch zu rekonstruieren. Diese erweiterten Moglichkeiten werden benutzt, um den Transport schneller Ionen durch Plasmainstabilitaten zu untersuchen. Die Geschwindigkeitsabhangigkeit der Umverteilung wahrend Sagezahninstabilitaten wurde gemessen. Es zeigt sich, dass schnelle Ionen mit hohem Geschwindigkeitsanteil senkrecht zum Magnetfeld schwacher umverteilt werden als andere schnelle Ionen, und physikalische Erklarungen hierfur werden diskutiert. Ferner wird der Transport schneller Ionen durch Alfven Eigenmoden (AE) untersucht, wobei signifikante Umverteilung durch eine AE Kaskade gefunden wird. Daruber hinaus wird die Beschleunigung von schnellen Deuteriumionen durch ICRH an der zweiten Harmonischen der Zyklotronfrequenz untersucht. Dies ist ein wichtiges Thema fur zukunftige Fusionsanlagen, in denen Absorption der zweiten Harmonischen als ICRH-Schema geplant ist – im Gegensatz zu heutigen Anlagen, die Absorption der Grundfrequenz durch eine Plasmaminoritat benutzen. Die physikalischen Grundlagen dieses zukunftigen ICRH-Schemas mussen daher untersucht und verstanden werden, um sicherzustellen, das theoretische Vorhersagen fur ITER korrekt sind. Untersuchungen mit der FIDA-Tomografie zeigen Hochenergieanteile in der Verteilungsfunktion, die durch Absorption der zweiten Harmonischen erklart werden konnen, und Vergleiche mit theoretischen Modellen werden diskutiert.