Gyrokinetische Beschreibung von schnellen Teilchen

Ein Hauptanliegen sowohl für den Tokamak als auch für den Stellarator ist die Anregung von Instabilitäten durch schnelle Teilchen, die z.B. durch Neutralteilcheninjektion (NBI), Radiofrequenzheizung (RF) oder Fusionsreaktionen hervorgerufen werden. Es ist wichtig herauszufinden, ob das Plasma stabil bleibt, wenn solche Teilchen vorhanden sind. Die größte Gefahr für die Stabilität scheinen dabei die Alfvén-Wellen (modifiziert durch die magnetische Geometrie) zu sein.

Die umfassendste Beschreibung durch schnelle Teilchen destabilisierter Scher-Alfvén-Wellen ist durch die selbstkonsistente gyrokinetische Theorie gegeben. Sie beinhaltet automatisch alle nichtidealen Effekte wie Landau- und Strahlungsdämpfung sowie nichtstörungstheoretische Effekte (energetische Teilchenmoden).

Eine analytische Lösung des gyrokinetischen Vlasov-Maxwell-Systems ist in den meisten Fällen für eine realistische Tokamak- bzw. Stellaratorgeometrie nicht möglich. Daher versucht man, dieses Problem mit Hilfe eines numerischen Ansatzes zu lösen. Die „particle-in-cell“-Methode (PIC) ist ein hochentwickelter Ansatz zur numerischen Lösung der gyrokinetischen Gleichungen. Diese Methode wird angewandt, um die Gleichungen global in ihrer realistischen magnetischen Geometrie zu lösen. In unserer Gruppe wurden zwei elektromagnetische PIC-Codes entwickelt, mit denen man Scher-Alfvén-Wellen sowie die Physik schneller Teilchen untersuchen kann.

Der GYGLES-Code ist ein linearer δf-PIC-Code für Tokamak- bzw. Pinchgeometrie. Dieser Code ist flexibel und leicht handhabbar und kann für das Testen neuer numerischer Schemata ebenso verwendet werden wie für realistische lineare Simulationen von Tokamaks (siehe Graphik).

Ein anderer Code, EUTERPE - ein nichtlinearer elektromagnetischer δf-PIC-Code, kann in beliebiger magnetischer Geometrie (Pinch, Tokamak. Stellarator) benutzt werden. Erfolgreiche Vergleichsläufe wurden bereits zwischen EUTERPE und GYGLES für Tokamakgeometrie durchgeführt.