Modellierung von ECCD und ECRH in toroidalen Fusionsanlagen

Die Möglichkeit der Aufrechterhaltung des Plasmagleichgewichtes und des Einschlusses der Plasmateilchen unter Verwendung von externen, nicht-induktiven Methoden zur Generierung des Plasmastromes liegt dem Langzeitbetrieb von Fusionsreaktoren der Art Tokamak zugrunde. Aufgrund seiner Wichtigkeit für die Reaktorentwicklung und den Reaktorbetrieb ist ein Forschungsziel bei verschiedenen Fusionsmaschinen wie Tore Supra (CEA Cadarache) oder TCV (EPFL Lausanne) die Verwirklichung eines Langzeitbetriebes. Unter den existierenden Methoden zur Erzeugung des Plasmastromes eignet sich Electron Cyclotron Current Drive (ECCD) am besten für eine Stromgenerierung im Zentrum des Plasmavolumen und für die zusätzliche Kontrolle des Stromprofiles. Es ist bekannt, dass nicht-lineare Effekte der Welle-Teilchen Wechselwirkung bei Zyklotron Resonanz, die für die Kopplung der Energie von der Welle zum Plasma verantwortlich ist, für heutige Experimente wichtig sein können. In von uns bereits durchgeführten Arbeiten wurde mit der Entwicklung einer solchen numerischen Näherung begonnen. Im Rahmen dieser Näherung wird die Verteilungsfunktion der Elektronen mit der Monte Carlo Methode unter Verwendung der "mapping technique" modelliert, die realistische Elektronentrajektorien während ihrer nichtlinearen Wechselwirkung in der Welle berücksichtigt. Die ersten Ergebnisse der Bestimmung der Energieabsorption in diesem Rahmen zeigen einen beträchtlichen Unterschied dieser Größe und des Absorptionskoeffizienten zu den Vorhersagen der oben erwähnten Theorien für Parameterwerte, welche typisch für ASDEX Upgrade (IPP Garching) und Tore Supra (Eingangsleistung 400 kW) sind. Daher ist die entsprechende Berücksichtigung der nichtlinearen Wechselwirkung für zukünftige Modellierung von Experimenten an diesen Geräten notwendig. Eine ähnliche Beeinflussung der Effizienz der Stromgenerierung (current drive efficiency) durch nichtlineare Effekte wurde in unseren Berechnungen beobachtet. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens planen wir die Erweiterung unserer Modelle zur Behandlung von Szenarien der Stromgenerierung und das Studium der Effizienz der Stromgenerierung unter Berücksichtigung von realistischen Magnetfeldgeometrien für typische experimentelle Bedingungen von ASDEX Upgrade, TCV und Tore Supra. Zu diesem Zweck sollen der Stochastic Mapping Technique (SMT) und der beam tracing code TORBEAM mit unserem ECCD/ECRH Code verschmolzen werden. Diese Verschmelzung wird, ferner, die Bestimmung der Flüsse suprathermaler Elektronen ermöglichen, derer konvektiver Transport eine wichtige Rolle in der radialen Flußbilanz von Stellaratoren spielen kann, wenn hohe Leistungen zur Heizung angewendet werden. Zusätzlich ist eine Suche nach neuen Szenarien zur Stromgenerierung mit erhöhter Effizienz geplant.

Die Möglichkeit der Aufrechterhaltung des Plasmagleichgewichtes und des Einschlusses der Plasmateilchen unter Verwendung von externen, nicht-induktiven Methoden zur Generierung des Plasmastromes liegt dem Langzeitbetrieb von Fusionsreaktoren der Art Tokamak zugrunde. Aufgrund seiner Wichtigkeit für die Reaktorentwicklung und den Reaktorbetrieb ist ein Forschungsziel bei verschiedenen Fusionsmaschinen wie Tore Supra (CEA Cadarache) oder TCV (EPFL Lausanne) die Verwirklichung eines Langzeitbetriebes. Unter den existierenden Methoden zur Erzeugung des Plasmastromes eignet sich Electron Cyclotron Current Drive (ECCD) am besten für eine Stromgenerierung im Zentrum des Plasmavolumen und für die zusätzliche Kontrolle des Stromprofiles. Es ist bekannt, dass nicht-lineare Effekte der Welle-Teilchen Wechselwirkung bei Zyklotron Resonanz, die für die Kopplung der Energie von der Welle zum Plasma verantwortlich ist, für heutige Experimente wichtig sind. Ausgangspunkt für das vorliegende Projekt war das Modell der nichtlinearen Welle-Teilchenwechselwirkung entwickelt im FWF Projekt P13495-TPH. Die Anwendbarkeit dieses Modells war jedoch auf Fälle limitiert in denen der Wellenvektor des einfallenden Elektron-Zyklotron Wellenbeams senkrecht auf das Hauptmagnetfeld steht. Deshalb wurde in einem ersten Schritt dieses Modell auf beliebige Einfallswinkel verallgemeinert. Diese Bemühungen gipfelten in der Entwicklung des FORTRAN Codes ECNL. In einem zweiten Schritt wurde das Problem der Strahlausbreitung in einem Plasma zusammen mit Dr. Emanuele Poli vom IPP-Garching durch Kombination von ECNL mit dem dort entwickelten und verwendeten Code TORBEAM gelöst. TORBEAM löst die Strahlausbreitung im Plasma selbstkonsistent jedoch nähert dieser Code die Leistungsabsorption linear. Im Rahmen dieser Kombination was es wichtig im Code ENCL eine realistische Tokamak Geometrie zu implementieren. Für ASDEX Upgrade Parameter zeigten die numerischen Resultate, dass bei Heizung mit dem zweiten harmonischen X-Mode mit Strahl senkrecht zum Hauptmagnetfeld nichtlineare Effekte der Welle-Teilchenwechselwirkung immer wichtig sind. Diese nichtlineare Effekte führen zu einer konsequenten Verbreiterung und Verschiebung des Absorptionsprofils. Außerdem zeigte sich, dass die Verbreiterung des Leistungsabsorptionsprofils und des Stromdichteprofils sensitiv bezüglich rationaler magnetischer Flächen sind. Die beobachtete Reduktion der Leistungsabsorption und Stromgenerierung nahe magnetischer Flächen niedriger Ordnung konnte als Folge der Ausbildung eines Plateaus in der Elektronverteilungsfunktion erklärt werden. Eine genauere Analyse zeigte, dass dies im Vergleich zum linearen Fall sogar zu einem Vorzeichenwechsel des Tearing Mode Stabilitätsindex führen kann. Daher zeigt der Mitstromtrieb eines stabilisierenden und der Gegenstromtrieb eines destabilisierenden Effekt auf die Ausbildung neoklassischer Tearing Moden.