Dokument: 3-dimensionale Plasmarandschicht-Simulationen in unvollständig ergodisierten Magnetfeldern

Titel:	3-dimensionale Plasmarandschicht-Simulationen in unvollständig ergodisierten Magnetfeldern
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=8448
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20080716-071156-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dipl. Phys. Harting, Derek [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 37,31 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 11.07.2008 / geändert 11.07.2008
Beitragende:	Prof. Dr. Reiter, Detlev [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Spatschek, Karl Heinz [Gutachter]
Stichwörter:	Monte Carlo, ergodisch, Simulation, TEXTOR, Fusion, Plasma, Randschicht, Flüssigkeitsgleichungen, Braginskii, EMC3, EIRENE, DED, kinetische Korrektur, adiabatischer Kühlungsterm, ergodisiert, stochastisches Magnetfeld, externes resonantes Störfeld, GOURDON, dynamisch ergodischer Divertor
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Um die Kernfusion als eine neue primäre Energiequelle für die Menschheit verfügbar zu machen, müssen die derzeit verfügbaren magnetischen Einschlusskonzepte optimiert werden. Dabei stellt vor allem die Plasmarandschicht, in der das sehr heiße (einige 100 Millionen Grad Kelvin) Fusionsplasma in Kontakt mit der Wand tritt, einen wichtigen Bereich dar, um Einfluss auf das Einschlussverhalten des Fusionsplasmas zu nehmen. Als einen neues Konzept, um gezielt Einfluss auf den Transport in der Plasmarandschicht zu nehmen, hat sich die Verwendung von externen resonanten Störfeldern, die zu einer Ergodisierung der Plasmarandschicht führen, herausgestellt. So konnten mit resonanten externen Störfeldern bereits unerwünschte Plasmarandschichtinstabilitäten, sogenannete ELM's, unterdrückt werden, wodurch sehr hohe thermische Spitzenbelastungen der Wandmaterialien vermieden werden. Um solche Phänomene zu verstehen, muss das Transportverhalten in ergodisierten Plasmarandschichten detailliert untersucht werden. Aus diesem Grund wurde das Fusionsexperiment TEXTOR um den Dynamisch Ergodischen Divertor (DED) erweitert, mit dem stationäre und dynamische externe resonante Störfelder in unterschiedlichen Basismodenkonfigurationen produziert werden können. Begleitend zum Experiment werden dabei dreidimensionale Plasmarandschicht-Simulationen essentiell benötigt, um die Transportmechanismen in der komplexen Topologie der ergodisierten Plasmarandschicht zu verstehen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein numerisches Werkzeug vorgestellt, der EMC3/EIRENE-Code, mit dem selbstkonsistent die Flüssigkeitsgleichungen für das Hauptplasma (Wasserstoff) sowie Plasmaverunreinigungen (z.B. Kohlenstoff) in einer ergodisierten Plasmarandschicht gelöst werden können. Der EMC3-Code wurde dabei zunächst für Stellaratorgeometrien am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald entwickelt und am Forschungszentrum Jülich auf den Tokamak TEXTOR angepasst. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Modellgleichungen des EMC3-Codes genau beleuchtet und notwendige technische Erweiterungen beschrieben, die eine realistische Simulation der Randschicht von TEXTOR-DED ermöglichen. Es ist somit erstmals ein numerisches Werkzeug entstanden, mit dem sowohl Stallarator- als auch Tokamak-Randschichten simuliert werden können. Dies ermöglicht für die Zukunft direkte Vergleiche der Plasmarandschicht in diesen unterschiedlichen magnetischen Einschlusskonzepten. Bei den Simulationen für die unterschiedlichen Basismodenkonfigurationen des DED's hat sich herausgestellt, daß durch das Störfeld eine helikale Struktur aus laminaren Flussröhren (Feldlinienbündel mit einem poloidalen Umlauf) entsteht. Da innerhalb dieser helikalen laminaren Flussröhren das parallele Abströmen auf die Wand dominiert, und die laminaren Flussröhren nur durch den senkrechten Transport befüllt werden, wirken sich diese laminaren Flussröhren wie eine nach innen erweiterte helikale Abschälschicht aus, was zu einer lokalen Reduktion der Dichte und der Elektronentemperatur führt. Zusätzlich konnte in der 3/1-Basismodenkonfiguration ein vielversprechendes Szenario gefunden werden, in dem remanente Inselstrukturen noch sehr nahe an der DED-Oberfläche existieren. Durch die Ionisation der recycelten Wasserstoffatome innerhalb dieser remanenten Inseln steigt die Dichte dort lokal sehr stark an, und die Temperatur der Elektronen und Ionen sinkt. Es konnte gezeigt werden, daß es in diesem Fall eine starke Änderung im Recyclingverhalten gegeben hat, und es wird sogar ein lokales "High-Recycling-Regime" vermutet. Im Weiteren werden auch erste Vergleiche zwischen Simulation und Experiment dargestellt. Die dabei auftretenden leichten Abweichungen gaben den Anlass dazu, das Modell des EMC3-Codes zu erweitern. In diesem Zusammenhang wurden kinetische Korrekturen an der klassischen parallelen Wärmeleitfähigkeit der Elektronen und der klassischen parallelen Viskosität der Ionen eingeführt. Diese ergaben auch schon für TEXTOR-Bedingungen einen relevanten Einfluss auf die Simulationsergebnisse und dürfen nicht vernachlässigt werden. Des Weiteren wurden die Modellgleichungen der Energiebilanzen um den bisher vernachlässigten adiabatischen Kühlungsterm erweitert, der die Kühlung des Plasmas durch die Beschleunigung zur Wand beschreibt. Hier hat sich auch für die Ionen eine lokale Kühlung von etwa 30% ergeben, die nun mit dem EMC3-Code berücksichtigt werden kann. Der EMC3-Code ist somit der Testphase entwachsen und wird inzwischen routinemäßig begleitend zur experimentellen Kampagne eingesetzt. In order to make fusion available to mankind as a new primary energy source, the known magnetic confinement concepts have to be optimized. In this process, the plasma edge, in which the hot core plasma (several 100 million degree kelvin) interacts with the first wall, plays an important role in affecting selectively the confinement of the fusion plasma. To exert influence well directed on the transport in the plasma edge, the use of external resonant magnetic perturbation, which leads to an ergodisation of the magnetic field in the edge plasma, has turned out to be an effective concept. It has already been shown that resonant megnetic perturbations can for example mitigate and even suppress undesirable edge plasma insabilities called ELMs. By this, very high thermal peak loads to the wall can be avoided which extends the lifetime of the first wall dramatically. To understand such phenomena, the transport in ergodic edge plasmas has to be studied in detail. On this account, the experimental fuison device TEXTOR has been advanced by installing the dynamic ergodic divertor which can apply static and dynamic resonant magnetic perturbations in different base mode configurations to the edge plasma. Attendant to the experimental campaign, three dimensional plasma edge simulations are essentially required to understand the transport mechanisms in the complex topology of the ergodized edge plasma. Within this work, a numerical tool, the EMC3/EIRENE code, will be presented, which solves self consistently a set of time independet fluid equations for the main palsma (hydrogen) and plasma impurities (e.g. carbon) in an ergodic edge plasma layer. The EMC3 code was originally developed at the Max-Plack-Instititut for plasma physics in Greifswald for Stellarator devices, and was adapted at the Forschungszentrum Jülich for Tokamak devices. Within the scope of this work, the model equations of the EMC3 code are discussed in detail and essential technical extensions are described which enables realistic simulations of the edge plasma at TEXTOR-DED. Hence, the first numerical tool emerged which can be used to model both Stellarator and Tokamak edge plasmas. This enables that in future direct comparisons of the plasma edge can be achieved between these two different magnetic confinement concepts. In the course of the simulations for the different base mode configurations of the DED, it turned out that a helical structure of laminar flux tubes (bunch of fieldlines with one poloidal turn) was formed by the resonant perturbation field. Due to the dominant parallel streaming to the wall being the loss channel in this helical laminar flux tubes and the perpendicular transport into them being the source channel, the laminar flux tubes acts as an extended helical scrape of layer, and thus the density and electron temperature are reduced locally in these flux tubes. Additionally, a promising scenario could be identified in the 3/1 base mode configuration of the DED, where remanent island structures exist near the recycling DED surface. Due to the ionization of the recycled hydrogen atoms in this remanent islands, the density increases strongly in these remanent islands and the electron and ion temperatures are reduced locally. It has been shown that in this case, the recycling is significantly changed and even a local high recycling regime is presumed. Furthermore, first direct comparisons between the simulation results and the experimental measurements are shown. The observed slight differences gave reason to extend the model of the EMC3 code. In this context, some kinetic corrections on the klassical parallel electron heatconductivity and the parallel viscosity of ions were implemented into the EMC3 code. These influnce already significantly the simulation results and thus should not be neglected. In addition, the model equations for the energy balances of electrons and ions were extended by the up to now neglected term, which describes the cooling of the plasma due to its acceleration towards the target plates. This term has resulted in a local cooling of the ions during their acceleration by about 30%, which now can be accounted for in the EMC3 code. Finally, the EMC3 code has grown out of its test stage and is used today routinely to accompany the experimental campaign.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:	11.07.2008
Dateien geändert am:	11.07.2008
Promotionsantrag am:	17.03.2008
Datum der Promotion:	05.06.2008