Forschung

Vielversprechende Computer-Simulationen für Stellarator-Plasmen

22.09.2020 - Hinweise auf neue Methode zur Senkung der Plasma-Turbulenz.

Zur theoretischen Beschreibung der Turbulenz im Plasma von Fusions­anlagen des Typs Tokamak hat sich der im MPI für Plasma­physik in Garching entwickelte Turbulenz­code „Gyrokinetic Electro­magnetic Numerical Experiment“ GENE bestens bewährt. Für die komplexere Geometrie der Anlagen vom Typ Stellarator erweitert, weisen die Computer-Simulationen mit GENE jetzt auf eine neue Methode hin, die Plasma-Turbulenz in Stellarator-Plasmen zu reduzieren. Das könnte die Effizienz eines künftigen Fusions­kraft­werks deutlich erhöhen.

Für Fusionsforscher ist die Wirbel­bildung im Wasser­stoff­plasma zentrales Forschungs­thema. Die kleinen Wirbel bringen Teilchen und Wärme aus dem heißen Plasma­zentrum nach außen und senken so die Wärme­isolation des magnetisch einge­schlossenen Plasmas. Weil von ihr jedoch die Größe und damit auch der Strompreis eines künftigen Fusions­kraft­werks abhängen, ist es eines der wichtigsten Ziele, diesen turbulenten Transport zu verstehen, vorher­zusagen und beeinflussen zu können.

Weil zur exakten rechnerischen Beschreibung der Plasma­turbulenz hoch­komplexe Gleichungs­systeme zu lösen und zahllose Rechen­schritte auszu­führen wären, bemüht man sich bei der Code­entwick­lung um sinnvolle Verein­fachungen. Der im IPP entwickelte GENE-Code fußt auf einem Satz verein­fachter „gyro­kinetischer“ Gleichungen. Sie lassen alle Erscheinungen im Plasma außer Acht, die für den turbulenten Transport keine große Rolle spielen. Obwohl sich der Rechen­aufwand so um viele Größen­ordnungen senken lässt, waren dennoch zur Weiter­entwick­lung des Codes stets die weltweit schnellsten und leistungs­stärksten Super­computer nötig. Inzwischen kann GENE die Bildung und Ausbreitung kleiner nieder­frequenter Plasma­wirbel im Plasma­inneren gut beschreiben und die experi­men­tellen Ergebnisse reproduzieren und erklären – allerdings zunächst nur für die einfach aufgebauten achsen­symmetrischen Fusions­anlagen vom Typ Tokamak.

Zum Beispiel zeigen die Rechnungen mit GENE, dass schnelle Ionen den turbulenten Transport in Tokamak-Plasmen stark verringern können. Experimente am Garchinger Tokamak ASDEX Upgrade konnten dieses Rechen­ergebnis bestätigen. Die nötigen schnellen Ionen lieferte die zielgenau eingesetzte Plasma­heizung mit Radio­wellen der Ionen­zyklotron-Frequenz.

Bei Stellaratoren hatte man diese Turbulenz-Unter­drückung durch schnelle Ionen experi­mentell bislang noch nicht beobachtet. Neueste Rechnungen mit GENE legen nun jedoch nahe, dass es diesen Effekt auch in Stellarator-Plasmen geben sollte: Im IPP-Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald könnte er die Turbulenz theoretisch um mehr als die Hälfte senken. Wie Alessandro Di Siena, Alejandro Bañón Navarro und Frank Jenko vom IPP zeigen, hängt die optimale Ionen­temperatur stark von der Form des magne­tischen Feldes ab. „Falls sich dieses rechnerische Ergebnis in zukünftigen Experi­menten mit Wendelstein 7-X in Greifswald bestätigen sollte, könnte dies einen Weg zu interessanten Hoch­leistungs­plasmen eröffnen,“ sagt Jenko, Leiter des Bereichs Tokamak­theorie am IPP.

Um GENE zur Turbulenz-Berechnung in den komplizierter geformten Plasmen der Stellaratoren zu benutzen, waren größere Code-Anpassungen nötig. Denn ohne die Achsen­symmetrie der Tokamaks muss man bei den Stellaratoren mit einer wesentlich komplexeren Geometrie zurecht­kommen.

Für Per Helander, Leiter der Abteilung Stellarator­theorie am IPP in Greifswald, sind die mit GENE angestellten Stellarator-Simulationen „physikalisch sehr spannend“. Er hofft, dass sich die Ergebnisse im Greifswalder Stellarator Wendelstein 7-X überprüfen lassen. „Ob die Plasmawerte in Wendelstein 7-X für solche Experimente geeignet sind, können wir unter­suchen, wenn in der kommenden Experimentier­periode neben den jetzigen Mikro­wellen- und Teilchen­heizungen auch die Radio­wellen­heizung in Betrieb gehen wird“, sagt Robert Wolf, dessen Bereich für die Plasma­heizungen zuständig ist.

Ein weiterer „gewaltiger Schritt“ war es, so Jenko, GENE nicht nur näherungs­weise, sondern komplett für die komplexe, drei­dimen­sionale Form der Stellaratoren zu ertüchtigen. Nach nahezu fünf Jahren Entwicklungsarbeit liefere der jetzt vorgestellte Code GENE-3D eine „schnelle und dennoch realistische Turbulenz­berechnung auch für Stellaratoren.“ Im Unter­schied zu anderen Stellarator-Turbulenz­codes beschreibt GENE-3D dabei die volle Dynamik des Systems, also die turbulente Bewegung der Ionen und auch der Elektronen über das gesamte innere Volumen des Plasmas, inklusive der resultie­renden Schwankungen des Magnetfelds.

IPP / RK

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