TY - THES U1 - Dissertation / Habilitation A1 - Slaby, Christoph T1 - Gyro-kinetic simulations of tokamaks and stellarators including collisions N2 - This dissertation focusses on the numerical modelling of resonant destabilization of Alfvén eigenmodes by fast ions in fusion plasmas. It especially addresses non-linear simulations of stellarator plasmas in which particle collisions are retained. It is shown that collisions are required for a realistic description of Alfvén waves in plasmas relevant to nuclear fusion. We start by carefully verifying the implementation of the collision operators into the electromagnetic version of the gyro-kinetic delta-f particle-in-cell code EUTERPE. After these initial benchmarks are completed successfully, the code is in a position to be applied to realistic tokamak and stellarator scenarios. Since every collision operator needs to fulfil conservation laws, a momentum-conserving version of the pitch-angle scattering operator is implemented. This is in particular important for neoclassical transport simulations aimed at computing flux-surface variations of the electrostatic potential in stellarators. Using the simplified CKA-EUTERPE model (employing a fixed-mode-structure approximation), we perform non-linear simulations in tokamaks and stellarators. We show that the non-linear dynamics of fast-ion-driven Alfvén eigenmodes is significantly influenced by collisions. They have the potential to enhance the saturation level and to affect the frequency chirping of the modes. It is thus concluded that collisions play an essential role in determining Alfvén-eigenmode-induced fast-ion transport - an important issue for future fusion devices. In order to address this issue the CKA-EUTERPE model is extended to evolve multiple modes at the same time. First results of this multi-mode version (which enhances the level of realism of the simulations) are shown in the Appendix of the thesis. N2 - Diese Dissertation befasst sich mit numerischen Simulationen der resonanten Anregung von Alfvén Eigenmoden durch schnelle Ionen in Fusionsplasmen. Der Fokus liegt hierbei auf nichtlinearen Simulationen von Stellaratorplasmen, wobei Teilchenstöße berücksichtigt werden. Wir zeigen, dass für die realistische Beschreibung von Alfvén Wellen in Fusionsplasmen Stöße beachtet werden müssen. Wir starten damit, die Implementation der Stoßoperatoren in den gyro-kinetischen delta-f Teilchencode EUTERPE sorgfältig zu verifizieren. Nach dem erfolgreichen Abschluss dieser Benchmarks, kann der Code auf realistische Tokamak- und Stellaratorszenarien angewandt werden. Da jeder Stoßoperator Erhaltungssätze erfüllen muss, haben wir eine impulserhaltende Version des Pitchwinkelstoßoperators implementiert. Dies ist insbesondere wichtig für Simulationen des neoklassischen Transports, die genutzt werden, um Variationen des elektrostatischen Potentials auf Flussflächen in Stellaratoren zu bestimmen. Unter Benutzung des vereinfachten CKA-EUTERPE Modells (welches die Näherung verwendet, dass die Modenstruktur unveränderbar ist), haben wir nichtlineare Simulationen in Tokamaks und Stellaratoren durchgeführt. Wir zeigen, dass die nichtlineare Dynamik der Alfvén Eigenmoden, angeregt durch schnelle Ionen, signifikant durch Stöße beeinflusst wird. Stöße haben hierbei das Potential das Saturierungslevel zu erhöhen, sowie das Frequenzchirping der Moden zu beeinflussen. Wir schließen daraus, dass Stöße eine wichtige Rolle für den Transport von schnellen Ionen, ausgelöst durch die Anwesenheit der Alfvén Eigenmoden, spielen. Dies ist ein wichtiger Aspekt zukünftiger Fusionsreaktoren. Um dieses Thema anzugehen, wird das CKA-EUTERPE Modell dahingehend weiterentwickelt, dass mehrere Moden simultan simuliert werden können. Erste Ergebnisse dieser Multi-Moden Version (welche den Realismus der Simulationen steigert) werden im Anhang der Arbeit gezeigt. KW - Plasma , Plasmaphysik , Tokamak , Stellarator , Magnetohydrodynamik , Kinetische Theorie , Simulation , Alfvén-Welle , Energiereiches Teilchen KW - Plasma Physics KW - Tokamak KW - Stellarator KW - Gyro-kinetic Theory KW - Alfvén Waves KW - Fast Particles KW - Collisions Y2 - 2018 U6 - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-opus-26268 UN - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-opus-26268 SP - 195 S1 - 195 ER -