Kinetische Untersuchungen magnetisierter Randschichtplamen

Die Entwicklung theoretischer und numerischer Methoden zur prädiktiven Analyse des Plasmaeinschlusses in einem Tokamak-Fusions-Testreaktor der nächsten Generation (ITER) ist von größter Bedeutung für die Fusionsforschung - und damit für die nachhaltige zukünftige Energieversorgung der Menschheit. Von besonderem Interesse ist hierbei das außerhalb der letzten geschlossenen Flussfläche (Separatrix) gelegene Fusions- Randschichtplasma, also die Abschälschicht (scrape-off layer, SOL) unter besonderer Berücksichtigung ihrer Randbereiche gegen Wand und Separatrix. Die Abschälschicht bestimmt die Teilchen- und Energieflüsse vom und zum Hauptplasma und ist somit entscheidend für den globalen Plasmaeinschluss. Derzeit werden für die realistische Modellierung von SOL-Plasmen hauptsächlich große magnetohydrodynamische Computerprogramme (Fluid-Codes; insbesondere B2-SOLPS, EDGE2D and UEDGE) verwendet. Allerdings können eine Reihe wichtiger Prozesse in diesen Plasmen nicht durch Fluid-Codes beschrieben werden, sondern bedürfen intrinsisch kinetischer Zugänge - die aber vielfach noch nicht bzw. nicht in erforderlichem Maße existieren. Zur dringend erforderlichen Schließung dieser Lücke soll das hier vorgeschlagene, auf 2,5 Jahre anberaumte Projekt durch Realisierung folgender Projektziele einen wesentlichen Beitrag leisten. (1) Formulierung einer umfassenden, realistischen, selbstkonsistenten kinetischen Beschreibung des Plasma-Wand- Überganges (plasma-wall transition, PWT). Dies umfasst (a) grundlegende Untersuchungen zum PWT-Problem sowie (b) Formulierung von Randbedingungen an den Divertorplatten für Fluid- (und gyrokinetische) Codes. Für jedes behandelte Problem wird die unabdingbare theoretische Grundlagenarbeit durch entsprechende Simulationsläufe (hauptsächlich mit den Teilchensimulations- (PIC-) Codes BIT1 and BIT2) mit für heutige und zukünftige Tokamaks relevanten Parametern ergänzt werden. (2) Systematische kinetische SOL-Simulationen sind für heutige Tokamaks (TCV, ASDEX Upgrade and JET) sowie ITER vorgesehen, u. zw. insbesondere zu folgenden Problemstellungen: (a) Transport in der stationären Abschälschicht ohne randlokalisierte Moden (edge-localized modes, ELMs); (b) Energie- und Teilchentransport in der instationären Abschälschicht, insbesondere zu den Divertorplatten, unter dem Einfluss von ELMs; (c) Berechnung flussbegrenzender kinetischer Korrekturen (flux limiters) zu den Teilchen-, Impuls- und Energieflüssen für verschiedene Tokamak-Operationsbereiche (L-Mode, H-Moden mit oder ohne ELMs); (d) Verbesserung existierender PIC-Codes (vor Allem BIT1 und BIT2) mit dem Ziel realistischerer SOL-Simulationen und des Einschlusses zweidimensionaler Effekte; und (e) Formulierung realistischer Randbedingungen an der Separatrix, wodurch die Abschälschicht voll in den Rahmen der Integrierten Tokamak-Modellierung (ITM) eingebunden werden soll. An den entsprechenden Stellen sollen Versuche zur gleichzeitigen Berücksichtigung der Transportkomponenten parallel und senkrecht zum Magnetfeld in kinetischer Beschreibung unternommen werden. Dieses Projekt soll den krönenden Abschluss mehrjähriger einschlägiger theoretisch-numerischer Studien bilden, die hauptsächlich von den früheren FWF-Projekten P12477-TPH ("Teilchensimulationsstudien von Divertorplasmen", 1998-2000) und P15013-N08 ("Kinetische Untersuchungen wandbegrenzter magnetisierter Plasmen", 2001-04) getragen wurden und bereits bisher zu einem beträchtlich erweiterten Verständnis der magnetisierten PWT sowie der Abschälschicht geführt haben. Es soll durch substantielle neue Beiträge - und wie bisher in intensiver Zusammenarbeit mit hochrangigen Forschungsgruppen aus aller Welt - gezielt die noch bestehenden Lücken schließen und so ein selbstkonsistentes kinetisches Bild des magnetisierten Plasma-Wand- Überganges und darüber hinaus der gesamten Abschälschicht sowie ihrer Rolle für das gesamte Tokamakplasma (ITM) liefern. Damit sollte das Projekt wesentlich zum Verständnis, zur Planung und zur Optimierung heutiger bzw. zukünftiger Tokamaks beitragen.

Die Entwicklung theoretischer und numerischer Methoden zur prädiktiven Analyse des Plasmaeinschlusses in einem Tokamak-Fusions-Testreaktor der nächsten Generation (ITER) ist von größter Bedeutung für die Fusionsforschung - und damit für die nachhaltige zukünftige Energieversorgung der Menschheit. Von besonderem Interesse ist hierbei das außerhalb der letzten geschlossenen Flussfläche (Separatrix) gelegene Fusions- Randschichtplasma, also die Abschälschicht (scrape-off layer, SOL) unter besonderer Berücksichtigung ihrer Randbereiche gegen Wand und Separatrix. Die Abschälschicht bestimmt die Teilchen- und Energieflüsse vom und zum Hauptplasma und ist somit entscheidend für den globalen Plasmaeinschluss. Derzeit werden für die realistische Modellierung von SOL-Plasmen hauptsächlich große magnetohydrodynamische Computerprogramme (Fluid-Codes; insbesondere B2-SOLPS, EDGE2D and UEDGE) verwendet. Allerdings können eine Reihe wichtiger Prozesse in diesen Plasmen nicht durch Fluid-Codes beschrieben werden, sondern bedürfen intrinsisch kinetischer Zugänge - die aber vielfach noch nicht bzw. nicht in erforderlichem Maße existieren. Zur dringend erforderlichen Schließung dieser Lücke soll das hier vorgeschlagene, auf 2,5 Jahre anberaumte Projekt durch Realisierung folgender Projektziele einen wesentlichen Beitrag leisten. (1) Formulierung einer umfassenden, realistischen, selbstkonsistenten kinetischen Beschreibung des Plasma-Wand-Überganges (plasma-wall transition, PWT). Dies umfasst (a) grundlegende Untersuchungen zum PWT-Problem sowie (b) Formulierung von Randbedingungen an den Divertorplatten für Fluid- (und gyrokinetische) Codes. Für jedes behandelte Problem wird die unabdingbare theoretische Grundlagenarbeit durch entsprechende Simulationsläufe (hauptsächlich mit den Teilchensimulations- (PIC-) Codes BIT1 and BIT2) mit für heutige und zukünftige Tokamaks relevanten Parametern ergänzt werden. (2) Systematische kinetische SOL-Simulationen sind für heutige Tokamaks (TCV, ASDEX Upgrade and JET) sowie ITER vorgesehen, u. zw. insbesondere zu folgenden Problemstellungen: (a) Transport in der stationären Abschälschicht ohne randlokalisierte Moden (edge-localized modes, ELMs); (b) Energie- und Teilchentransport in der instationären Abschälschicht, insbesondere zu den Divertorplatten, unter dem Einfluss von ELMs; (c) Berechnung flussbegrenzender kinetischer Korrekturen (flux limiters) zu den Teilchen-, Impuls- und Energieflüssen für verschiedene Tokamak-Operationsbereiche (L-Mode, H-Moden mit oder ohne ELMs); (d) Verbesserung existierender PIC-Codes (vor Allem BIT1 und BIT2) mit dem Ziel realistischerer SOL-Simulationen und des Einschlusses zweidimensionaler Effekte; und (e) Formulierung realistischer Randbedingungen an der Separatrix, wodurch die Abschälschicht voll in den Rahmen der Integrierten Tokamak-Modellierung (ITM) eingebunden werden soll. An den entsprechenden Stellen sollen Versuche zur gleichzeitigen Berücksichtigung der Transportkomponenten parallel und senkrecht zum Magnetfeld in kinetischer Beschreibung unternommen werden. Dieses Projekt soll den krönenden Abschluss mehrjähriger einschlägiger theoretisch-numerischer Studien bilden, die hauptsächlich von den früheren FWF-Projekten P12477-TPH ("Teilchensimulationsstudien von Divertorplasmen", 1998-2000) und P15013-N08 ("Kinetische Untersuchungen wandbegrenzter magnetisierter Plasmen", 2001-04) getragen wurden und bereits bisher zu einem beträchtlich erweiterten Verständnis der magnetisierten PWT sowie der Abschälschicht geführt haben. Es soll durch substantielle neue Beiträge - und wie bisher in intensiver Zusammenarbeit mit hochrangigen Forschungsgruppen aus aller Welt - gezielt die noch bestehenden Lücken schließen und so ein selbstkonsistentes kinetisches Bild des magnetisierten Plasma-Wand-Überganges und darüber hinaus der gesamten Abschälschicht sowie ihrer Rolle für das gesamte Tokamakplasma (ITM) liefern. Damit sollte das Projekt wesentlich zum Verständnis, zur Planung und zur Optimierung heutiger bzw. zukünftiger Tokamaks beitragen.