Quantification of Neutral Beam Driven Current and the effect of radial fast ion transport in ASDEX Upgrade

For the development of a plasma scenario for a Tokamak fusion power plant a valid quantitative neutral beam current drive (NBCD) model is necessary. Also for multiple scenarios of the Tokamak ITER (the Latin word for “The Way"), the next, large, international fusion experiment, which is in the construction phase, a large NBCD fraction is foreseen. Therefore, experiments and quantitative comparisons with the common NBCD model are made. The experimental environment for this thesis, ASDEX Upgrade, is a medium size Tokamak with a very similar shape as ITER and approx. 1/4 of its size. ASDEX Upgrade with its versatile neutral beam injection system and large diagnostic capability is well suited for studies of the NBCD. The neutral beam driven current, like the other intrinsic and driven current contributions to the total plasma current, is not directly measurable. Therefore, two strategies are used to investigate neutral beam current drive. First, for quantitative investigations of the total neutral beam driven current the measured total plasma current is compared with the sum of the calculated contributions. Second, changes in the measured plasma current profile due to changes in the neutral beam injection are examined. An issue for the quantitative approach is the large uncertainty in the reconstruction of the inductive current. This hampers quantitative conclusions on the current composition. Therefore, quantitative investigations of the non-inductive contributions were done in discharges with maximized neutral beam driven and bootstrap current fraction, leading to an almost vanishing inductive current. A pressure-measurement based correction of the fast ion content, confirmed independently by fast-ion Dα measurements, together with the improved bootstrap current formula of Hager et al. leads to a quantitative decomposition of the plasma current that is consistent with the estimates of the small inductive contribution. The investigation of the reaction of the total plasma current profile to switching between on- and off-axis neutral beams aimed at revisiting a contradiction that had been found earlier: while the radial profiles of the fast neutral beam ions seemed to behave neoclassically, the current profile appeared to deviate from the neoclassical expectations. In the new discharges the radial fast ion distribution and the radial current profile were measured simultaneously. After improvements to the diagnostics, especially to the Motional Stark Polarimetry, and TRANSP modeling, both diagnostics are now in agreement with each other and a small deviation from the neoclassical theory is present. This deviation could be explained either by a fishbone redistribution of fast ions or radial transport due to microturbulence. Furthermore, reexamination of the old experiments yields results consistent with the new experiments. Für die Entwicklung eines Plasma Szenarios für ein Tokamak-Fusionskraftwerk bedarf es eines validierten quantitativen Neutralteilchen-Stromtrieb Modells. Dasselbe gilt für viele der Szenarien für den Tokamak ITER (lateinisch für „Der Weg“), das nächste große internationale Fusionsexperiment, welches sich in der Konstruktionsphase befindet, die ebenfalls einen großen Neutralteilchen-Stromtriebs Anteil haben. Aus diesem Grund wurden Experimente und quantitative Vergleiche mit dem gebräuchlichen Neutralteilchen-Stromtrieb Modell gemacht. Die experimentelle Umgebung der Dissertation war der mittel große Tokamak ASDEX Upgrade, der ITER in seiner künftigen Form sehr ähnlich ist und ungefähr 1/4 von dessen Größe hat. ASDEX Upgrade ist durch sein vielseitiges Neutralteilchen-Injektionssystem in Kombination mit großen diagnostischen Kapazitäten sehr gut für Untersuchungen des Neutralteilchen-Stromtriebs geeignet. Der Neutralteilchen-Stromtrieb ist nicht direkt messbar, wie auch die anderen intrinsischen und getriebenen Anteile des Plasmastroms. Aus diesem Grund wurden zwei Strategien zur Untersuchung des Neutralteilchen-Stromtriebs verfolgt. Zum einen wird, für die quantitative Untersuchung des integralen Neutralteilchen getriebenen Stroms, der gemessene Plasmastrom mit der Summe seiner berechneten Stromanteile verglichen. Zum anderen werden Änderungen des Stromprofils durch eine veränderte Neutralteilchen-Injektionsgeometrie hervorgerufen und untersucht. Die Herausforderung für die quantitative Untersuchung des Neutralteilchen-Stromtriebs ist die große Unsicherheit in der Rekonstruktion des induktiven Stromanteils. Um diese Unsicherheit in der Untersuchung der nicht induktiven Anteile zu verringern, wurden Entladungen mit einem maximierten Neutralteilchen-Stromtrieb und Bootstrap-Strom Anteil designt, was zu einem nahezu verschwinden des induktiven Anteils führt. Eine Korrektur des Schnelle-Ionen-Inhalts des Plasmas, basierend auf Messungen des Plasmadrucks, und eine unabhängige Überprüfung von diesem mit der schnelle-Ionen-D-alpha-Spektroskopie, in Kombination mit einer verbesserten Beschreibung des Bootstrapstroms durch eine Formel von Hager et al. führte zu einer quantitativen Vorhersage der Zusammensetzung des Plasmastroms, welche innerhalb aller diagnostischen Möglichkeiten konsistent mit der Erwartung eines kleinen induktiven Reststromanteils ist. Die Untersuchung der Reaktion des Plasma Stromprofils auf das Umschalten zwischen Achsnaher- und Achsferner-Neutralteilchen-Injektion geht auf einen Wiederspruch zurück welcher in früheren Untersuchungen gefunden worden ist: Während sich das radiale Profil der durch Neutralteilchen-Injektion erzeugten schnellen Ionen neoklassisch zu verhalten scheint, weicht das von diesen schnellen Ionen getriebene Stromprofil scheinbar von der neoklassischen Erwartung ab. In neuen Entladungen wurde die radiale Verteilung der schnellen Ionen und das radiale Stromprofil simultan gemessen. Nach einer Verbesserung der Diagnostiken, insbesondere der Motional Stark Effekt Polarimetrie, und der TRANSP Modellierung, wurde übereinstimmend in den beiden Hauptdiagnostiken eine kleine Abweichung von der neoklassischen Erwartung gefunden. Diese Abweichung konnte entweder durch eine radiale Umverteilung schneller Ionen durch die Fischgräten Instabilität oder den radialen Transport schneller Ionen durch Mikroturbulencen erklärt werden. Darüber hinaus liefert eine Nachüberprüfung der alten Experimente ein konsistentes Ergebnis zu den neuen Experimenten.