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Gyro-kinetic simulations of tokamaks and stellarators including collisions

  • 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.
  • 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.

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Metadaten
Author: Christoph Slaby
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-26268
Title Additional (German):Gyro-kinetische Simulationen von Tokamaks und Stellaratoren unter Berücksichtigung von Stößen
Referee:Prof. Dr. Per Helander, Prof. Dr. Laurent Villard
Advisor:Prof. Dr. Per Helander, Dr. Axel Könies, Dr. Ralf Kleiber
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Date of first Publication:2019/04/29
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2019/04/15
Release Date:2019/04/29
Tag:Alfvén Waves, Collisions, Fast Particles, Gyro-kinetic Theory, Plasma Physics, Stellarator, Tokamak
GND Keyword:Plasma , Plasmaphysik , Tokamak , Stellarator , Magnetohydrodynamik , Kinetische Theorie , Simulation , Alfvén-Welle , Energiereiches Teilchen
Pagenumber:195
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik