Dreidimensionale kinetische Modellierung von Randschichtplasmen

Die theoretisch-numerische Modellierung von Randschichtplasmen stellt heute eine der größten Herausforderungen der Plasmaphysik dar. Der Grund dafür liegt in der Tatsache, dass die Plasmarandschicht in jeder Plasmaapparatur vorhanden ist und die gesamte Entladungsleistung stark beeinflussen oder sogar bestimmen kann. Von besonderer Aktualität ist diese Thematik für die Entwicklung und Optimierung von heutigen Magneteinschluss-Fusionsanlagen sowie solchen der nächsten Generation, insbesondere von ITER und DEMO. Eine beträchtliche Anzahl der anstehenden Probleme erfordert dreidimensionale (3D) und vollständig kinetische Behandlung. Das Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist die Entwicklung eines realistischen 3D kinetischen Modells samt zugehörigem Computercode für fusionsrelevante Randschichtplasmen unter Miteinbeziehung der nichtlinearen Dynamik des Plasmas sowie der relevanten Verunreinigungen, Neutralteilchen und Plasma-Wand-Wechselwirkungen. Das zugehörige Programmpaket soll auf einer massiv parallelen Plattform betrieben werden, wodurch erstmals die Simulation großer Plasmasysteme mit feinster räumlicher und zeitlicher Auflösung (bis hinunter zur Elektronen-Gyration und zu Plasmaschwingungen) möglich wird. Dieses Vorhaben erfordert das Zusammentragen von atomaren, molekularenund Plasma-Oberflächen- Wechselwirkungs-Daten sowie die Entwicklung und Implementierung entsprechender optimierter Monte-Carlo-Routinen wie auch einer hoch skalierbaren, schnellen 3D Poisson-Lösungsroutine. Dieses unseres Wissens einzigartige Modell wird für Untersuchungen mehrerer aktueller Probleme im Zusammenhang mit kernfusionsrelevanten Randschichtplasmen angewandt werden. Unter anderem wollen wir die folgende, seit Jahren anstehende Frage beantworten: Welche Struktur hat das Randschichtplasma vor einer rauen Wandoberfläche in Gegenwart verschiedener Querfeld-Driften sowie einer beliebigen Magnetfeldkonfiguration. Darüber hinaus wollen wir reproduktive und prädiktive Modelle für Divertorplasma-Simulatoren wie Pilot-PSI, NAGDIS-II und andere entwickeln. Diese Forschungsanstrengungen werden dazu beitragen, mehrere der ungeklärten experimentellen Beobachtungen zu verstehen, die tatsächliche Teilchen- und Wärmebelastung der dem Plasma zugewandten Komponenten vorherzusagen und die Verunreinigungs-Netto-Sputterraten unter realistischen Bedingungen zu abschätzen. Wir erwarten, dass die in diesem Projekt zu gewinnenden Ergebnisse zu einer weiteren Optimierung der Auslegung von Magneteinschluss-Fusionsanlagen beitragen werden. Der zu entwickelnde 3D kinetischen Code wird ein leistungsfähiges Instrument für Untersuchungen voll- und teilionisierter Plasmen darstellen. Er kann praktisch in jedem Zweig der Plasmaphysik, angefangen von Tieftemperatur-Laborplasmen bis hin zu astrophysikalischen Plasmen, verwendet werden. Wir beabsichtigen, dieses Projekt in enger Zusammenarbeit mit unseren Kollegen in Österreich, der EU, Japan und den USA durchzuführen.

Kontrollierte thermonukleare Fusion hat die Aussicht, eine umweltfreundliche, eigensichere und unlimitierte Energiequelle zu sein. Im kontrollierten thermonuklearen Fusionsreaktor mit magnetischem Einschluss wird Energie durch extrem heißes Plasma, der vierte Aggregatzustand, in 100 Millionen Grad Celsius generiert und mit einem starken Magnetfeld eingefangen. Die Temperatur des Plasmas vor den Wänden des Reaktors darf ein paar 10000 nicht überschreiten. Daher muss das Plasma bei der Annäherung zur Wand effektiv gekühlt werden, was einen komplexen Prozess darstellt. Entsprechend ist die Analyse der Eigenschaften des Plasmas nahe der Wand eines der wichtigsten Aufgaben der Plasmafusionsforschung. Aufgrund der Komplexität sind hochentwickelte numerische Codes die Hauptmittel für diese Studie. Die absolute Mehrheit solcher Codes benützt ein sogenanntes Fluidmodell des Plasmas, dasmit gemittelten Geschwindigkeitsverteilungsfunktionen (VDF) von Plasmapartikeln arbeitet. Dabei werden wichtige Eigenschaften der Randschichtplasmen nicht berücksichtigt. Die Lösung besteht darin, komplexere numerische Mittel zu entwickeln, die direkt mit VDF arbeiten - sogenannte kinetische Codes. Ziel des Projekts war es, i) einen dreidimensionalen kinetischen Code für die Simulation von fusionsrelevanten Randschichtplasmen zu entwickeln und ii) Eigenschaften von Randschichtplasmen mithilfe eines kinetischen Modells zu untersuchen. Ein solcher Code, BIT3, wurde entwickelt. Es umfasst einige Hundert verschiedene Arten von elastischen und inelastischen nichtlinearen Wechselwirkungen zwischen Plasma, neutralen Partikeln und der Wand des Plasmageräts und ermöglicht die Entwicklung der wahrscheinlich umfassendsten Randschichtplasmenmodelle. Der Code wurde auf mehr als 104 Prozessoren des Marconi- Supercomputers erfolgreich getestet. Die BIT3-Entwicklung erforderte die Einführung von Know-hows in die numerische Optimierung, in die Berechnung von Atom und Plasma- Oberflächen Wechselwirkungsdaten und deren Implementierung in die kinetischen Codes sowie in die Methode der kinetischen Plasmamodellierung. Parallel haben wir die Modellierung der fusionsrelevanten Plasmakante mit bereits vorhandenen Mitteln (Codes BIT1 und BIT2) durchgeführt, die wir in früheren FWF-Projekten entwickelt haben. Wir haben bestehende Fusionsplasmavorrichtungen, sogenannte lineare Divertorsimulatoren (z.B. PSI-2) und Tokamaks (z.B. JET), sowie den Tokamak der nächsten Generation, ITER, simuliert. Unter den wichtigsten Ergebnissen dieser Studie sind die folgenden Zwei. Wir haben gezeigt, dass beim optimierten Betrieb des Tokamaks die Hauptträger der Leistung an den hitzebeständigen Wandelementen, den Divertoren, nicht die thermischen Plasmapartikel sind, wie zuvor angenommen, sondern sogenannte superthermische Elektronen. Diese stammen vom stromaufwärtigen Plasma und fließen kollisionsfrei stromabwärts. Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist die neue Art der Randschichtplasmen Diffusives Randschichtplasma, die in Tokamaks der nächsten Generation auftreten wird und signifikant die Eigenschaften der Randschichtplasmen und die Wechselwirkung zwischen Plasma und Wand (Divertor) dort verändern könnte.