XCEPT: Erweiterte Simulation von Plasma-Randschicht-Turbulenz

Die Randschicht eines inhomogenen magnetisierten Plasmas ist ein komplexes physikalisches System, welches Prozesse der Strukturbildung und Selbstorganisation aufweist, die sich aus selbst erhaltender Turbulenz der fluidartigen Driftbewegung des quasi zweidimensionalen Plasmas ergeben. Die Entstehung zonaler Strömungsstrukturen aus einem homogenen isotropen Wirbelfeld und die daraus resultierende strömungsverscherte Unterdrückung der zunächst antreibenden Turbulenz sind ein außergewöhnliches Beispiel für einen Prozess von selbstorganisierter Regulierung in einem dynamischen System. Darüber hinaus wird der Prozess der Bildung globaler Strömungen in der Plasmarandschicht als Ursache des "low-to-high"- (L-H-) Übergangs im Einschlussverhalten von magnetisch eingeschlossenen toroidalen Plasmen in der Fusionsforschung angesehen. Die Verwirklichung der entstehenden H-Mode im internationalen Tokamakexperiment ITER ist eine Hauptvoraussetzung für den Erfolg dieses wichtigen nächsten Schritts der Erforschung der Fusionsenergie. Im Gegensatz zur einer breiten experimentellen Erfahrung mit der H-Mode gibt es allerdings bisher keine vorhersagefähige Theorie oder Simulation, die auf grundlegenden ersten Prinzipien aufbaut. Im vorliegenden Projekt streben wir geeignete Erweiterungen der Modelle und numerischen Codes zur Simulation von Turbulenz und Strömungen der Randschicht an, die zur Einbeziehung zusätzlicher Dynamik dienen, welche für eine Einschlussverbesserung wesentlich sein kann. Die Arbeit zielt auf die Erweiterung eines bestimmten Turbulenzmodells und Codes ("TYR") und die folgende Anwendung auf Probleme der Physik von Fusionsplamen, wie dem L-H Übergang, ab. Speziell ist vorgesehen, eine globale Entwicklung des Druckprofils, eine Kopplung des Gebiets geschlossener Flussflächen mit der Abschälschicht, sowie eine Anpassung an realistische Magnetfeldstrukturen einschließlich der Behandlung eines X- Punktes in der Separatrixgeometrie einzubeziehen. Die Ergebnisse der Simulationen aus den neuen Modell- und Code-Entwicklungen sollen u.a. auf die Verbesserung von Transportmodellen zur Integrierten Tokamakmodellierung und zum Vergleich mit experimentellen Messungen angewendet werden.

Heiße Plasmen zur Erforschung der Kernfusion sind reichlich chaotisch, schwer zu erfassen, und teuer zu erzeugen. Umso wichtiger ist die Rolle von Computersimulationen als Ergänzung zu Experimenten mit Fusionsplasmen. Im FWF Projekt XCEPT ("Extended computation of edge plasma turbulence", 2006-2009) wurden in dieser Hinsicht Modelle zur numerischen Simulation von Instabilitäten und Turbulenz am Rande von Fusionsplasmen weiterentwickelt, auf aktuelle Fragestellungen angewendet, und mit experimentellen Messungen verglichen. Im Mittelpunkt der numerischen Untersuchungen standen die Entstehung und Entwicklung von instabilen Strukturen mit unterschiedlichen Größenordnungen und Lebensdauern unter verschiedenen experimentellen Bedingungen. Mit einem nichtlinearen Simulationsmodell wurden u.a. Ausbreitung und Zerfall kohärenter Wirbel ("Blobs") am äußersten Plasmarand berechnet, wodurch am Fusionsexperiment ASDEX Upgrade (IPP Garching, Deutschland) mit Sonden gemessene turbulente Strukturen mit statistischen Methoden als solche identifiziert und charakterisiert werden konnten. Ein aus anderen experimentellen Befunden vermuteter direkter Einfluß von rationalen Magnetfeldflächen (auf denen sich magnetische Feldlinien in einem ganzzahligen Verhältnis um den Torus winden) auf turbulente Strömungen konnte dagegen im Rahmen der verwendeten Modelle (mit starrem Magnetfeld und kleinen Fluktuationen) nicht bestätigt werden. Daher müssen hierfür statt Turbulenz eher andere Phänomene der Selbstorgansiation (z.B. Umstrukturierung des Magnetfelds) als Ursache vermutet werden. Schließlich konnten in den bisher aufwändigsten realistischen Simulationen mit Hilfe von elektromagnetischen Gyrofluid-Modellen erstmals hochaufgelöste Berechnungen zu den heftigen periodischen Plasmaeruptionen durchgeführt werden, welche in Experimenten mit gutem Plasmaeinschluß ständig auftreten. Dabei konnte erstmals gezeigt werden, dass bei diesen sogenannten ELMs ("Edge localized modes", am Plasmarand lokalisierte Strukturen) viele verschiedene Skalen an den Ausbrüchen von Energie und Teilchen beteiligt sind, wobei auch die kleinen Wirbel durch ihre Viehlzahl eine große Rolle für die gesamte Stärke der Eruption haben. Mit den im Projekt entwickelten Modellen und numerischen Berechnungen konnte so zu einem tieferen Verständnis der nichtlinearen Dynamik und Strukturbildung am Rand von Fusionsplasmen beigetragen werden, welches für die Entwicklung und den Betrieb der nächsten Generation von Fusionsexperimenten wie ITER von Bedeutung ist.