2D kinetische Untersuchungen der fusions Randplasmen

Die Modellierung der Tokamak Abschälschicht (Scrape-off Layer, SOL) stellt eine der größten Herausforderungen der Fusions Plasmen Untersuchungen dar. Die SOL beeinflusst den Fluss der Teilchen, des Impulses und der Energie vom/zum Plasma Kern und damit auch die ganze Plasma Entladung in der Fusions Vorrichtung. Diese Untersuchungen sind besonders aktuell für die Optimierung des Tokamakdesignes der nächsten Generation ITER, wo die Abschätzung des Leistungsverlustes an den Plasma angrenzenden Komponenten (Plasma Facing Component, PFC) während der sogenannten Edge Localized Modes (ELM) und Anhäufung von Tritium nach wie vor noch nicht völlig gelöste Probleme sind. Das Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es ein komplettes 2-dimensionales kinetisches Modell der SOL zu enwickeln, welches die nichtlineare Dynamik des Plasmas, Verunreiningungen und neutrale Teilchen, sowie nichtlineare Plasma-Oberflächen wechselwirkungen einschließt. Diese (nach unserem Wissen) einzigartige Aufgabe wird sowohl entsprechende atomare, molekulare und Plasma-Oberflächen Wechselwirkung als auch die Entwicklung optimierter Monte-Carlo Programme und Installationen von höchst skalierten 2-dimensionalen Poisson Gleichungs Solvers erfordern. Völlige Selbskonsistenz des Modells kann man durch "absolute" Auflösung der Teilchenbewegung in Raum und Zeit (bis hinunter zu den Elektronengyrationsradien) erreichen mit dem Konsequenz, dass der Code auf eine High Performing Computing Anlage optimiert werden muß. Dieses neue Modell wird für interpretive und predictive Simulationen der schon existierenden Tokamaks, als auch für voraussagende Simulationen der ITER SOLs angewendet werden. Die Hauptanstrengung soll dafür verwendet werden um Leistungsverluste zu dem PFC während der ELMs und Tritium Anhäufung zu untersuchen, als auch um kinetische Effekte für ihre Installation in SOL simulierenden Fluid Code Packages wie B2-SOLPS, EDGE2D usw zu quantifizieren. Wir hoffen, dass die Resultate dieses Projektes einen Beitrag zur weiteren Optimierung des Designs von ITER, als auch nachfolgenden Maschinen (wie DEMO) beitragen werden. Der in diesem Projekt entwickelte 2-dimensionale kinetische Code wird eine leistungsfähiges Instrument für das Studium voll- und teilweise ionisierter Plasmen darstellen. Er kann praktisch in jedem Zweig der Plasmaphysik, angefangen von Tieftemperaturlaborplasmen bis hin zu astrophysikaschen Plasmen, verwendet werden. Wir beabsichtigen dieses Projekt in Zusammenarbeit mit unseren Kollegen in Österreich, der EU, Japan und den USA durchzufüren.

Das Plasma (der vierte Aggregatzustand) stellt 99,9% der Materie im gesamten sichtbaren Universum da: die Sterne, das Interstellare und Intergalaktische Medium. Auf der Erde gibt es auch die natürlichen (z.B. die Flamme) sowie künstliche Plasmen (z.B. Beleuchtungslampen, verschiedene Plasmaanlagen). Die Plasmaanlagen werden in den unterschiedlichen technologischen Verarbeitungen verwendet, oder werden als Versuchs-Fusionsanlagen dargestellt. Diese Fusionsanlagen helfen die künftigen Kernfusionsreaktoren zu entwickeln. Die Kernfusionsforschung zielt auf die Nutzbarkeit dieses Prozesses und eröffnet damit die Perspektive einer sauberen und praktisch unerschöpflichen Energiequelle.Das Plasma in Plasmaanlagen besteht aus dem Kern und Randschicht Plasmen. Das Randschicht-Plasma entwickelt sich vor einer Kammerwand und wirkt auf Plasma-Teilchen und Energie Flüsse aus/zu der Kammerwand. Als Ergebnis kann das Plasma-Randschicht die Eigenschaften des gesamten Plasma in der Vorrichtung stark beeinflussen. Besonders wichtig ist das Plasma Randschicht, oder wie man es nennt Scrape-off Layer (SOL), für sogenannte Magnetic Confinement Fusions-Anlagen. Die SOL beeinflusst den Inhalt und die Eigenschaften des Plasma Kerns sowie auch die Lebensdauer der Kammerelemente. Daher gehört die SOL- Studie zu den heißesten Themen in fusion-relevanten Plasma-Forschung. Die SOL besteht aus Elektronen und Hauptionen, Neutralen, Verunreinigungsionen und Staubpartikeln. Diese Teilchen sind nicht in einem thermischen Gleichgewicht und wechselwirken unelastisch miteinander und mit der Kammerwand. Die SOL-Untersuchung erfordert ein interdisziplinäres Studium, das man nur mit den komplexen numerischen Simulationen durchführen kann.Das Ziel dieses Projektes war die Entwicklung des mehrdimensionalen numerischen Codes für die präzise SOL-Modellierung. Diese Codes, BIT1 und BIT2, sind derzeit wohl die am weitesten fortgeschrittene kinetischen Codes für SOL-Simulationen. Sie liefen auf einer massiven parallelen Plattform, d.h. die Verwendung von hunderten und tausenden Prozessoren in einer optimierten Weise; Zu der Simulation gehören ein paar Dutzend von verschiedenen Teilchensorten und nichtlineare Wechselwirkungen zwischen ihnen sowie mit der Kammerwand. Die Codes sind sehr flexibel gegen die Umsetzung der neuen Teilchen-Typen und der neuen Physik. Mit unseren Codes führen wir verschiedene Arten von Plasmarandschicht-Simulationen durch und zeigen, dass einige bekannte Plasma-Eigenschaften nicht gültig für das SOL sind. In einigen Fällen, wie die Ausbreitung der Ionenschallwellen, die Berechnung der thermischen Krafteinwirkung auf hoch geladene Verunreinigungsionen, die Struktur der Geschwindigkeits-Verteilungsfunktionen der Plasmateilchen und so weiter, erläutern wir diese Effekte und entwickeln die entsprechenden neuen Modelle. Wir erwarten, dass unsere Ergebnisse zu der Gestaltung und Optimierung von Test-Fusionsanlagen sowie künftige Reaktoren beitragen können.