Kinetische Untersuchungen magnetisierter begrenzter Plasmen

Die Kernfusion, die in heißen, durch starke Magnetfelder eingeschlossenen Plasmen realisiert werden soll, bietet die Perspektive einer sicheren, praktisch unbegrenzten und potentiell sauberen Energiequelle. In der Fusionsforschung zählen die den Kontakt zwischen Plasma und Wand betref-fenden Fragen zu den wichtigsten wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen. Dieser Kontakt wird durch den - hier hauptsächlich interessierenden - "Plasma-Wand-Übergang" ("Plasma-Wall Transition, PWT") hergestellt, einen räumlichen Bereich, der sich von dem "ungestörten" Plasma der Abschälschicht ("Scrape-Off Layer, SOL") bis zur Wand selbst erstreckt und i.a. aus "Vorschicht" (Presheath)", "Raumladungsschicht (Sheath)" und "Plasma-Wand- Wechsel-wirkungszone" besteht. Zur Lösung des PWT-Problems ist es zwingend erforderlich, die dort auftretenden physikalischen Prozesse zu verstehen und quantitativ zu beschreiben. Obwohl diese Problemstellung in mehreren Plasmaforschungsinstituten mit Nachdruck untersucht wurde und wird, sind einige Schlüsselaspekte nach wie vor ungeklärt, und es ist Ziel des hier beantragten Projektes, gerade zur Lösung dieser Fragen beizutragen. Die grundlegenden physikalischen Prozesse in der PWT-Schicht sind jenen ähnlich, die vom Antragsteller, Prof. S. KUHN, und seinen Mitarbeitern am Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck über 20 Jahre lang im Zusammenhang mit Q-Maschinen und Plasmadioden untersucht wurden. Diese Langzeitstudien haben zu beträchtlichem "Know-how" in der realistischen kinetischen Modellierung, Theorie und Simulation wandbegrenzter Plasmen geführt. Darüber hinaus bot das FWF-Vorgängerprojekt P12477-TPH ("Particle-simulation studies of divertor plasmas", Sept. 1998 - Nov. 2000) der von Prof. Kuhn geleiteten Forschungsgruppe die Möglichkeit, sich speziell auf dem Gebiete des Divertorplasmas einzuarbeiten und hierzu wissenschaftliche Beiträge zu leisten. Die in diesem Projektantrag vorgeschlagenen Untersuchungen des magnetisierten PWT-Bereiches sind auf 2 Jahre anberaumt und werden mittels einer geeigneten Kombination folgender Methoden erfolgen: (a) Analytisch- numerische Theorie und Nichtlineare Dynamik, (b) Teilchensimulation (Particle-in-Cell [PIC] simulation), und (c) Verteilungsfunktionen-Simulation (Distribution-Function [DF] simulation). Die wissenschaftlichen Zielsetzungen sind folgende: (1) Formulierung einer umfassenden, selbstkonsistenten kinetischen Beschreibung des PWT-Bereiches unter realistischen Annahmen und in möglichst großer Allgemeinheit; (2) darauf aufbauend, Erstellung eines allgemeinen Schemas zur Herleitung von Mehrflüssigkeiten- Randbedingungen (insbesondere für Mehrflüssigkeiten-Simulationsprogramme) und Anwendung desselben auf mehrere Spezialfälle von konkretem Interesse. Darüber hinaus Behandlung folgender Probleme mit PWT-Bezug: (3) Langmuir-Sonden; (4) Erzeugung schneller Teilchen in RF-Feldern und damit verbundene Effekte; sowie (5) durch elektrostatische Feldfluktuationen hervorgerufene anomale Diffusion von Verunreinigungsionen. Für jede der genannten Problemstellungen soll die erforderliche theoretische Grundlagenarbeit durch numerische, für bestehende bzw. geplante Tokamaks relevante Simulationen ergänzt werden. Unter der Koordination des Projektleiters werden vier bereits eingearbeitete Wissenschaftler in Verfolgung der Projektziele am Forschungsort zusammenarbeiten. Dr. Ulrike HOLZMÜLLER-STEINACKER, Dr. Nikolaus SCHUPFER; Dr. David TSKHAKAYA und Prof. Dr. Davy TSKHAKAYA. Diese Forschungsarbeiten werden in engem Kontakt mit mehreren einschlägigen Forschungsgruppen aus Österreich (Innsbruck, Wien) und dem Ausland (Berkeley, Cadarache, Garching, Greifswald, Livermore, Prag, St. Petersburg, Varennes) erfolgen, mit denen bereits Zusammenarbeit besteht. Darüber hinaus besteht seitens der Projektbearbeiter die Bereitschaft, auch mit anderen Forschern und Gruppen zu kooperieren, sofern deren Expertisen und Interessen für dieses Projekt förderlich sind.

Das Hauptanliegen dieses Projektes waren konzeptuelle und detaillierte Untersuchun-gen des magnetisierten Plasma-Wand-Überganges und anderer Bereiche der Abschäl-schicht eines Tokamak-Plasmas. Die zahlreichen neuen Ergebnisse können in einem nächsten Schritt in den Rahmen der "Integrierten Tokamak-Modellierung (ITM)" eingebracht und damit ihrer optimalen Nutzung zugeführt werden. Die Kernfusion in heißen, von starken Magnetfeldern eingeschlossenen Plasmen bietet die Zukunftsperspektive einer potentiell unerschöpflichen, sicheren und sauberen Ener-giequelle. Die gegenwärtig aussichtsreichste Einschlusskonfiguration ist der "Tokamak", ein toroidales Gefäß, in dem das heiße "Hauptplasma" von der kühleren "Abschälschicht" umgeben ist, die wiederum von den "Divertorplatten" (Prallplatten für die Plasmateilchen) begrenzt wird. Zur Zeit ist das Hauptaugenmerk weltweit auf den Bau eines entscheiden-den Großexperimentes vom Tokamaktyp (ITER) gerichtet, für das die Probleme des Kon-taktes zwischen Plasma und Divertorplatten zu den vordringlichsten wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen zählen. Die ``Plasma-Wand-Übergangsschicht" vor den Divertorplatten kontrolliert die Teilchen- und Energieflüsse zwischen diesen und dem Plasma und ist daher entscheidend für die Lebensdauer der teuren Divertorplatten, für die Energieauskopplung aus dem Plasma und für den Plasmaeinschluss insgesamt. Angesichts der Wichtigkeit der behandelten Problematik stellen die Ergebnisse dieses Projektes einen signifikanten Beitrag zur Fusionsforschung dar. Die Aktualität der Arbeiten wurde durch enge Zusammenarbeit mit hochrangigen Fusionslabors (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (D), Joint European Torus (UK), Forschungszentrum Cadarache (F) u. a.) garantiert. Neben fortgeschrittenen theoretischen Methoden kam auch die Methode der "Teilchensimulation" mit entsprechend adaptierten und verbesserten Computerprogram-men aus Berkeley, USA, in großem Umfang zur Anwendung. Die wichtigsten Ergebnisse des Projektes in Kürze: (a) Mehrere unmagnetisierte und magnetisierte, zeitunabhängige und zeitabhängige Plasma-Wand-Übergänge wurden untersucht. (b) Daraus wurden Randbedingungen für hydrodynamische Programme zur Simulation der gesamten Abschälschicht hergeleitet. (c) Detaillierte Strom-Spannungs-Charakteristiken von Langmuir-Sonden in stoßbestimm-ten Plasmen wurden berechnet. (d) Neue Ideen zur Verminderung der unerwünschten parasitären Energieabsorption bei der Wellen-Plasmaheizung wurden erarbeitet. (e) Es wurde gezeigt, dass durch Potentialfluktuationen induzierte anomale Diffusion zu einem radialen elektrischen Feld und somit zu Plasmarotation führen kann. (f) Teilchensimulationen der Abschälschicht mit und ohne randlokalisierte Schwingungen ("ELMs") haben neue kinetische Effekte aufgezeigt. Insbesondere wurde die Zwei-Zeitskalen-Struktur der ELM-induzierten Pulse klar demonstriert.