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F. Laggner:
"Inter-ELM pedestal structure development in ASDEX Upgrade";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): F. Aumayr, M. Heyn, J. Schweinzer; Institut für Angewandte Physik (E134), 2017; Rigorosum: 05.05.2017.

Die Leistungsfähigkeit eines magnetisch eingeschlossenen Fusionsplasmas hängt stark vom Plasmarand ab, der die Grenze zwischen dem heißen, eingeschlossenen Plasma und der Reaktorwand darstellt. In einem Tokamak, der eine toroidale, axialsymmetrische Magnetfeldkonfiguration besitzt, wurde ein Regime mit verbessertem Plasmaeinschluss, die High Confinement Mode (H-Mode), beobachtet. Der verbesserte Einschluss wird durch eine Randtransportbarriere bedingt, welche mit der Formierung von steilen Gradienten des Plasmadrucks einhergeht, die als Pedestal bezeichnet werden. Das maximal erreichbare Pedestal, d.h. der maximale Druckgradient, ist normalerweise durch ein magnetohydrodynamisches Limit begrenzt, dessen Überschreitung zu sogenannten Edge Localised Modes (ELMs) führt. ELMs sind Instabilitäten, die das Pedestal abflachen und zu einem Verlust von rund 10% der im Plasma gespeicherten Energie führen. Die Mechanismen, die die Pedestalstruktur vor einem ELM Ausbruch bestimmen, sind nicht vollständig verstanden. Es wird erwartet, dass mikroturbulente Instabilitäten, z.B. Kinetische Ballooning Moden (KBMs), hierbei eine wichtige Rolle spielen.
Die vorgelegte Dissertation untersucht die zeitliche Entwicklung Dichte- und Temperaturprofile des Pedestals zwischen ELM Ausbrüchen am ASDEX Upgrade Tokamak. Die Ziele waren verschiedene Plasmabedingungen zu vergleichen, wie die Kollisionalität des Plasmas, verschiedene Hauptionenspezies und unterschiedliche Plasmaformen. Weiters wurde der Einfluss der Bedingungen außerhalb des eingeschlossenen Plasmas auf die Pedestalentwicklung untersucht. Die umfassende Studie dieser Parameter resultierte in einer Schlüsselbeobachtung: Das Pedestal baut sich in unterschiedlichen Phasen zwischen ELM Ausbrüchen auf, deren Abfolge immer gleich ist. Unmittelbar nach dem ELM Ausbruch wird das Elektronendichtepedestal hergestellt, anschließend das Elektronentemperaturpedestal. Abschließend tritt eine Phase mit konstanten Druckgradienten auf, die unterschiedlich lange andauern kann.
Die detaillierte Untersuchung der einzelnen Phasen des Wiederaufbaus der Randgradienten nach einem ELM zeigte erstmals, dass die Sequenz der Phasen unabhängig von Hauptionenspezies, Kollisionalität und Form des Plasmas immer gleich abläuft, bis die Stabilitätsgrenze, die gut mit der "Peeling-Ballooning" Theorie beschrieben werden kann, erreicht ist. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der schnelle Anstieg des Elektronendichtepedestals nicht von der Dynamik der Neutralen im Divertor oder im Hauptraum dominiert wird, da er auf schnelleren Zeitskalen erfolgt. Den magnetischen Fluktuationen, die in der Phase vor dem ELM auftreten, in der sich der Druckgradient nicht mehr ändert, konnten genauer charakterisiert werden. Es wurde gezeigt, dass die zugrundeliegende Instabilität im Minimum des radialen elektrischen Feldes lokalisiert ist, eine toroidale Modenzahl von 11 aufweist und auch auf der Hochfeldseite nachgewiesen werden konnte, was für einen signifikanten "Peeling"-Anteil spricht.