Turbulenz in magnetisierten Plasmen: Strukturbildung und Transport

Was hat die Wahrscheinlichkeit für schönes Wetter in den Sommerferien damit zu tun, ob wir eines Tages die Kernfusion als praktisch unbegrenzte und saubere Energiequelle nutzen können? Die Antwort liegt in der besonderen Natur der beiden zugrunde liegenden physikalischen Systeme: Sowohl die Atmosphäre als auch magnetisierte heiße Fusionsplasmen werden durch die gleichen Strukturbildungsprozesse in quasi- zweidimensionalen periodischen nichtlinearen dynamischen Systemen bestimmt. Selbstorganisation von Wellen und Wirbeln auf kleinen Skalen führt in beiden Fällen zu großräumigen Strömungen, welche je nach Bedingungen entweder über lange Zeiten stabil sein können - oder aber immer wieder aufbrechen und große Wirbelstrukturen ausstoßen. Im Falle der Erdatmosphäre führt eine eventuelle Stabilisierung des polaren Strahlstroms durch die Erwärmung im Frühsommer über Nordeuropa zu einem mit hoher Wahrscheinlichkeit stabilen heißen Hochsommerwetter in Österreich (Stichwort "Siebenschläfer"). Die effektive Nutzung der Kernfusion in einem Kraftwerk hängt ebenfalls davon ab, ob eine Stabilisierung solcher zonaler Strömungen ("H-Mode") durch Heizung des Plasmas aufrecht erhalten werden kann. Allerdings können uns Instabilitäten sowohl im Juli die Ferien verhageln ("Islandtiefs"), als auch zu stürmischen Ausbrüchen ("ELMs") von Energie und Teilchen aus dem Rand eines Fusionsplasmas auf die Wände des Reaktors führen. Bei Letzterem würde das zu starker Erosion der Wandmaterialien und einem ineffizienten Betrieb eines zukünftigen Fusionskraftwerks führen. Plasmaphysiker sind daher, ebenso wie Meteorologen, an einer möglichst genauen Vorhersage der hochgradig nichtlinearen Dynamik dieser Vorgänge interessiert. Im START-Projekt "TEMP:EST" werden moderne gyrofluide und gyrokinetische Modelle für Turbulenz und Strukturbildung in magnetisierten Plasmen entwickelt, mit Hochleistungsrechnern numerisch simuliert und mit aktuellen Experimenten verglichen. Ziel ist ein genaues Verständnis und die Vorhersage der Entstehung von stabilen "H-Moden"-Strömungen in Fusionsplasmen und den dabei auftretenden ELM-Eruptionen, besonders im Hinblick auf das in Europa im Bau befindliche internationale Fusionsexperiment ITER.

Ein universelles Phänomen in magnetisierten Plasmen (heißen ionisierten Gasen) sind Driftwellen und ähnliche Instabilitäten, die turbulente Strömungen und erhöhten Transport erzeugen. In diesem Projekt haben wir theoretisch und numerisch solche Turbulenzen untersucht, die in Weltraum- und Labor-Plasmen auftreten können, aber besonders in Experimenten zur Fusionsforschung mit magnetischem Einschluss in Tokamaks oder Stellaratoren relevant sind.Die Beschreibung von Instabilitäten, selbstorganisierten Strömungen und Turbulenz in magnetisierten Plasmen kann auf verschiedenen Modellebenen erfolgen: makroskopische Flüssigkeitsmodelle wie die Magnetohydrodynamik sind dafür zu stark vereinfacht und können wichtige Effekte nicht erklären, wogegen kinetische Modelle im 5- oder 6-dimensionalen Phasenraum mit hohem rechnerischen Aufwand verbunden sind. In diesem Projekt haben wir als Mittelweg sogenannte Gyrofluid-Modelle wesentlich weiterentwickelt und auf aktuelle Probleme in der Plasmaphysik und Fusionsforschung angewendet: diese lassen sich mit akzeptablem Aufwand numerisch simulieren und erlauben dennoch die konsistente Modellierung einiger relevanter kinetischer Effekte (wie Gyrations-Radien, Landau-Dämpfung oder stoßarme Wechselwirkungen).Mit einem elektromagnetischen 6-Momente Gyrofluid-Modell konnten wir dabei erstmals den Übergang von großskaligen Eruptionen (ELMs) am Rand von Fusionsplasmen in kleinskalige Turbulenz und den daraus entstehenden Transport unter verschiedenen Bedingungen durch numerische Simulationen untersuchen. Dies ist relevant für das Verständnis und die Minimierung des damit verbundenen hohen Teilchen- und Wärmeflusses aus dem Plasma auf umgebende Wände. Auch der Einfluss verschiedener Wasserstoff-Isotope auf Turbulenz und zonale Strömungen am Rand von Fusionsplasmen wurde damit erstmals charakterisiert.Eine wesentliche neue Entwicklung im Rahmen des Projekts sind sogenannte full-F Gyrofluid- Simulationen, welche im Gegensatz zu bisherigen Modellen die konsistente Behandlung von endlicher Ionentemperatur und hohen Fluktuationsamplituden erlauben, wie sie besonders in der äußeren Schicht von Fusionsplasmen auftreten. Damit wurden Skalierungsgesetze zur Vorhersage des äußeren Plasmatransports verbessert, und ein verlässlicherer Vergleich der Simulationen mit experimentellen Messungen ermöglicht. Die neuen Modelle sollen im Weiteren auf die Simulation der Entstehung von Transportbarrieren in Fusionsplasmen angewendet werden.