ABTEILUNG FUR PLASMAPHYSIK

ASSOZIATION EURATOM-OAW

Institut fur Theoretische PhysikTechnische Universitat GrazPetersgasse 16, 8010 Graz

Austria

Dipl.-Ing. Dr.techn. Winfried KernbichlerTel: +43(316)873-8182Fax: +43(316)873-8678

Email: kernbichler@itp.tu-graz.ac.at

M ITARBEITER

Professoren:Ass.-Prof. W. KernbichlerAo.Univ.-Prof. M. HeynUniv.-Prof. M. Heindler

Wissenschaftl. Mitarbeiter:Dr. S. KasilovDr. V. NemovDr. R. Kamendje

Dissertanten und Diplomanden:DI Mag. B. SeiwaldDI G. LeitoldDI Ch. EhererDI M. BaumannDI K. Allmaier

NEOKLASSISCHERTRANSPORT

Es gibt im Prinzip drei Moglichkeiten wie sich geladene Teilchen,die ein magnetisiertes Plasma bilden, quer zum Magnetfeld be-wegen konnen: 1. Diffusion aufgrund von Stoßen, 2. Driftbewe-gung verursacht durch Gradienten und Krummung des Magnet-feldes und 3. aufgrund elektrischer Felder. Man bezeichnet diesenTransport als klassisch. Im Falle toroidaler Anordnungen wiedem Tokamak oder dem Stellarator, fuhren die dadurch erzeugtenraumlichen Inhomogenitaten des Magnetfeldes zu erhohtem, demsog. neoklassischen Transport. Die Minimierung dieses neoklas-sischen Transports ist einer der wesentlichen Aspekte in der Stel-laratoroptimierung. Unser Ziel ist die Entwicklung schneller undneuer (analytischer wie auch numerischer) Methoden zur Berech-nung dieses Transports sowie von Gleichgewichtsplasmastromenin Stellaratoren mit realistischer Magnetfeldgeometrie. Die en-twickelten Codes bzw. die damit erzielten Ergebnisse finden Ver-wendung in einer Reihe von bereits existierenden Stellaratoren(z.B. W7-AS) sowie in internationalen Optimierungsstudien di-verser Stellaratorkonfigurationen (z.B. NCSX).

NEOKLASSISCHERTRANSPORT

Magnetische Flußflachen der Stellaratoren W7-AS (Garching, oben)und NCSX (Princeton, unten).

STELLARATOROPTIMIERUNG

Bei diesem Projekt wird ein neuer und schneller Coder zur Op-timierung von Stellaratoren entwickelt. Das Ziel ist die Min-imierung des neoklassischen Transports - einer der Schlusse-laspekte der Stellaratorphysik. Die Basis bildet ein in dieserGruppe entwickelter Code zur Berechnung des neoklassischenTransports in Real Space. Der Code ist in der Lage mit realenVakuumfeldern (inclusive magnetischer Inseln), unabhangig vonderen Komplexitat, arbeiten.Die Simulation soll mogliche Verbesserungen bestehender Stel-laratoren zeigen, wenn sowohl die Strome in den Spulen als auchdie Position und Winkel der Spulen modifiziert werden. DiesesWerkzeug ist in der Lage die optimale Konfiguration in Hinblickauf den neoklassischen Transport im long-mean-free-path regimefur bestehende Fusionsexperimente zu finden.Weiters soll gezeigt werden, daß es moglich ist solche Opti-mierungen mit weniger Computerleistung durchzufuhren, als diesbei jenen Verfahren der Fall ist, bei denen Programme zur Berech-nung von MHD-Gleichgewichten verwendet werden. Eine Paral-lelisierung des Programms ermoglicht die Verwendung von billi-gen PC-Clustern statt teurer Supercomputer.

RADIOFREQUENZHEIZUNG

Plasmen in Fusionsanlagen werden auf verschiedene Artengeheizt (s. Bild). Darunter zeichnen sich die RadiofrequenzHeizung von Elektronen (Electron Cyclotron Resonance Heat-ing, ECRH) und die Radio Frequenz Stromgenerierung durchElektronen (Electron Cyclotron Current Drive, ECCD) durch dieraumlich sehr gut lokalisierte Welle-Teilchen Wechselwirkung(sehr kleine Wellenlangen), die Flexibilitat bezuglich des Ortesder Energiedeposition und der Stromgenerierung und somit eineKontrolle des Sromprofiles ermoglicht, aus. Ziel ist die Mod-ellierung der Welle-Teilchen Wechselwirkungen fur beliebigeWerte eines Nichtlinearitatsparameters im Rahmen der Hamilton-schen Mechanik. Die Kombination dieses Modells mit der Mod-ellierung von Coulombstoßen wird verwendet, um wichtige Ken-ngroßen wie die Elektronenverteilungsfunktion, das Absorption-sprofil und die

”current drive efficiency“, numerisch zu berech-

nen. Die kinetische Gleichung wird im Rahmen der”mapping

technique“ (stochastische Abbildungen) behandelt. NumerischeBerechnungen erfolgen u.a. mit Monte Carlo Algorithmen.

PLASMAHEIZUNG

DYNAM . ERGOD. DIVERTOR (DED)

Fur den Betrieb eines Fusionsreaktors spielt die kontrollierteEntfernung

• von Verunreinigungen des Plasmas (z.B. durch Atome ausder Reaktorwand)

• von Fusionsprodukten aus dem Plasmainnereneine wesentliche Rolle. Sowohl Verunreinigungen als auch dieHeliumasche bringen den Brennprozeß zum Erliegen. In dengroßen Tokamaks (JET, ASDEX-Upgrade) kommen derzeit X-Punkt–Divertoren zum Einsatz. Wir untersuchen ein neues, an-dersartiges Konzept, den DED, der am TEXTOR-94 in Julichgebaut wird. Mittels spezieller elektromagnetischer Storfelder,die durch externe Spulensysteme erzeugt werden, verandertman die Magnetfeldtopologie im Randbereich des Plasmas, umdie gewunschten Eigenschaften zu erzielen. Zielsetzung istdie physikalische und numerische Modellierung des Problemsausgehend von den Maxwellgleichungen und einer geeignetenBeschreibung der Plasmadynamik.

DYNAM . ERGOD. DIVERTOR (DED)

DED Prototypfur TEXTOR (FZJulich)

DED Schema(FZ Julich)

TRANSPORTBARRIEREN

Tokamakexperimente zeigen die Ausbildung von radial starklokalisierten Transportbarrieren charakterisiert durch stark re-duzierten Warmetransport und hohen Temperaturgradienten.Das bevorzugte Auftreten dieser Barrieren nahe rationalerFlussflachen mit niederen poloidalen und toroidalen Modezahlenwird im Rahmen der Hamiltonschen Storungstheorie durch dieAnalyse breitbandiger Storspektren erklart; Flussflachen werdenzerstort und es bilden sich Bereiche mit Inseln, derenUberlap-pung schlussendlich zu einer Art Diffusion von Feldlinien fuhrt.Ein Uberlappungskriterium kann definiert werden, welches dieAusbildung der Barrieren erklart und mit dem auch Amplitudeund spektrale Breite der experimentell beobachteten magnetis-chen Storungen bestimmt werden konnen. Die Ergebnisse sindkonsistent mit der turbulenten skin-depth Theorie. Die theoretis-chen Ergebnisse sind auch in guterUbereinstimmung mit vondieser Theorie unabhangig durchgefuhrten numerischen Exper-imenten. Diese wurden mit Hilfe des in Zusammenarbeit mitFZ Julich entwickelten MHD Monte Carlo Transportcodes E3Ddurchgefuhrt.

TRANSPORTBARRIEREN

0.4 0.5 0.60

0.5

1

1.5

2

r

Te

resonant modes resonant modes

Transportbarriere ander resonantenFlacher = 0.5(RTP, Rijnhuizen)

Ergebnisse des E3DMonte CarloTransportcodes(RTP, Rijnhuizen)

0.4 0.5 0.60

1

2

3

4

5

6

r

φ

Poincare plot

ENERGIE AUSKERNFUSION

Energie aus Kernfusion ist das langfristige Ziel, physikalischeund technologische Forschung der ausoffentlichen Mitteln fi-nanzierte Weg. Immer mehr spielen bei Entscheidungenuber diezukunftige Gestaltung des Fusionsprogramms soziookonomis-che, sicherheits- und umweltbezogene Fragestellungen einewesentliche Rolle. Die Europaische Union hat 1997 das Pro-gramm SERF (Socio-Economic Research on Fusion) gestartet.Die laufende 3. Phase vertieft bisherige Studien (direkte und ex-terne Kosten der Energie aus Kernfusion, Kernfusion als Teildes Energiesystems, Kernfusion undoffentliche Meinung) undbetreut die Beteiligung am

”Implementing Agreement on the

Environmental, Safety and Economic (ESE) Aspects of FusionPower“ der Internationalen Energieagentur (IEA). Die Betreu-ung derosterreichischen Beteiligung am SERF-Programm unddie Beteiligung an den Beratungen der Europaischen Kommis-sion im Rahmen des Komitees fur Wissenschaft und Technologie(STC) sind zentraler Punkt dieser Arbeiten.

86 57

9

14

3

10 2

11

KOOPERATIONEN

1 IPP, Kharkov, Ukraine2 IPP MPI, Garching, Deutschland3 IPP MPI, Greifswald, Deutschland4 FZ, Julich, Deutschland5 PPPL, Princeton, NJ, USA6 ORNL, Oak Ridge, TN, USA7 Univ. of Wisconsin, Madison, WI, USA8 NIFS, Toki, Japan9 CIEMAT, Madrid, Spain10 Univ. Libre de Bruxelles, Brussel, Belgien11

”Kurchatov Institute“, Moskau, Rußland

FINANZIERUNG

EURATOM, FWF,OAW

Bildquellen:Bilder fur DED und Plasmaheizung mit freundlicher Genehmigung vomFZ Julich.