Der Einfluss schneller Teilchen auf die Stabilität des Plasmas im Stellarator


Die Untersuchung der Plasmastabilität mit Hilfe der magnetohydrodynamischen Theorie erlaubt es Plasmakonfigurationen zu suchen, die gegenüber kleinen Störungen der magnetischen Konfiguration stabil sind (siehe MHD-Stabilität). Es zeigte sich jedoch bei der Untersuchung von Tokamaks, daß es Eigenschwingungen des Plasmas, wie zum Beispiel toroidale Alfvén-Eigenmoden (TAE) und globale Alfvén-Eigenmoden (GAE) gibt, die durch die Wechselwirkung mit schnellen Teilchen im System destabilisiert werden können.

Das kann dazu führen, daß die schnellen Teilchen ausgeworfen werden und sich damit der Einschluss des Plasmas verschlechtert.

Schnelle Teilchen im System können zur Plasmaheizung durch Neutralteilcheninjektion beschleunigte Ionen (einige 10 keV) oder Fusions-Alphateilchen (3,5 MeV) sein. Sie führen im poloidal und toroidal periodischen Magnetfeld periodische Bewegungen aus, deren charakteristische Frequenzen in Resonanz mit den Plasmaschwingungen geraten können. Ihr Druckgradient bildet den Speicher freier Energie für das Anwachsen der Mode.

Die MHD als Flüssigkeitstheorie kann die Welle-Teilchen-Resonanzwechselwirkung nicht beschreiben und muß durch ein kinetisches Modell erweitert werden:

Dazu wird eine linearisierte driftkinetische Gleichung in gewissen Näherungen gelöst [A. Könies, Phys. Plasmas 7, 1139 (2000)]. Mit Hilfe dieser Lösung erhält man ein verallgemeinertes Energieintegral, das die Welle - Teilchen - Wechselwirkung enthält.

Die Form des Energieintegrals erlaubt eine störungstheoretische Berechnung der Anwachsrate der Eigenmode und ihrer Frequenzverschiebung, wobei die Lösungen der MHD-Stabilitätstheorie als Ausgangspunkt verwendet werden. Dazu wurde der CAS3D-code um diese Effekte erweitert (CAS3D - K).

Die Auswertung der entsprechenden Ausdrücke in dreidimensionaler Geometrie erfordert die Ausführung eines sechsfachen Integrals und ist numerisch sehr aufwendig. Aus diesem Grunde wurde der Code unter Verwendung von MPI parallelisiert. Zur Zeit wird der Code gegenüber verschiedenen zweidimensionalen Codes getestet.

 
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