Kinetik der Radio-Frequenz-Heizung

Radio Frequenz (rf) Heizung von Elektronen und Ionen ist ein fundamentaler Heizmechanismus in Fusionsanlagen. Die theoretischen Grundlagen zur physikalischen Beschreibung von rf Heizung bildet die kinetische Theorie des Plasmas. Nach einer Mittelung über die schnelle Gyrationsbewegung der Teilchen um die magnetischen Feldlinien, erhält man eine Beschreibung mittels einer Teilchenverteilungsfunktion im 5D Phasenraum. Reguläre Methoden, das sind alle Methoden die keine stochastischen Schritte beinhalten, können nur im Falle einer genügend hohen Symmetrie des Problems angewandt werden, falls sich die Dimensionalität genügend reduzieren läßt. Stochastische Methoden wie Monte Carlo (MC) wären daher zu bevorzugen, falls eine solche Reduktion nicht möglich ist. MC Methoden sind einfach anzuwenden aber um eine hinreichend große Auflösung zu erhalten ist es notwendig Millionen von Teilchentrajektorien zu folgen. Sogar auf heutigen schnellen Parallelcomputern wird die Zeit zu einer starken Einschränkung. Andererseits, wird in Fällen in denen die typische Stoßzeit viel länger als die typische Schwingzeit im toroidalen Magnetspiegel, viel Computerzeit verschwendet indem Driftorbitale, die sich nur ganz wenig verändern wieder und wieder berechnet werden. Um die numerische Steifheit in diesen extremen Zeitskalen zu beseitigen, wurde eine Technik basierend auf stochastischen Abbildungen entwickelt. Ein Code, der diese Technik optimal einsetzt soll im Detail ausgearbeitet und mit Daten von den Stellaratoren Wendelstein W7-AS und später auch W7-X getestet werden. Eine interessanter Aspekt wäre in der Folge das Studium des neu gefundenen Einschlußregimes (die Elektronenwurzel) von W7-AS. Dieses Regime zeigt gute Einschlußzeiten und wird durch lokalisierte Elektronenzyklotronheizung getriggert.

Im Rahmen der kinetischen Theorie wurde einerseits ein numerischer Code entwickelt, der das Studium von Heizung und Transport in sehr allgemeinen magnetischen Teilcheneinschlussgebieten erlaubt, andererseits wurde die nichtlineare Dynamik von Plasmateilchen im elektromagnetischen Feld einer eingestrahlten Radiofrequenzwelle und ihre Auswirkung auf die Energieabsorption behandelt. Die Heizung eines heißen Plasmas mit Radiofrequenzwellen ist ein hauptsächlicher Mechanismus um die zusätzliche Plasmaheizung, die für den Betrieb einer Fusionsreaktoranlage notwendig ist, zu erzeugen. Die kinetische Theorie ist notwendig um die physikalischen Eigenschaften der Wellenausbreitung und Welle-Teilchen Wechselwirkung im praktisch stoßfreien Plasma zu beschreiben. Zusätzlich spielen Coulombwechselwirkungen innerhalb des Plasmas und Nichtlinearitäten in der Dynamik der Plasmateilchen bei der Heizung eines Plasmas durch elektromagnetische Wellen eine wesentliche Rolle. Beim Durchlaufen des Wellenstrahls wechselwirken die Plasmateilchen resonant mit dem Feld der Welle. In der Folge geben sie die so gewonnene Energie durch Coulombstöße wieder an den Plasmahintergrund ab. Der neue Aspekt des entwickelten numerischen Codes ist die Kombination von Monte Carlo Verfahren mit einer speziellen Poincaré Abbildung. Mit Hilfe dieser stochastischen Abbildungstechnik wird die driftkinetische Gleichung für große mittlere Weglängen in Anwendung auf Stellaratoren mit symmetriearmen Magnetfeldgeometrien gelöst. Auch Inselketten und ergodische magnetische Feldschichten sind erlaubt. Aus der theoretischen Untersuchung der nichtlinearen Elektronendynamik konnte quantitativ die Reduktion der Energieabsorption bei der Heizung durch Radiofrequenzwellen angegeben werden.