Divertortransport

Divertoren in Stellaratoren sind von Natur aus dreidimensional (3D). Das magnetische Feld am Plasmarand zeigt normalerweise stochastisches Verhalten. Typische Beispiele sind der Inseldivertor für die low-shear-Stellaratoren der W7-Familie und der helikale Divertor des Heliotrons LHD. Um die Plasmaausströmungsprozesse in Stellaratoren verstehen zu können, benötigt man 3D-Transport-Modelle, welche fähig sind, die Transportprozesse in einem stochastischen Feld, in dem geschlossene Feldlinien nicht existieren, zu handhaben.

Hierfür wurde ein 3D-Rand-Monte-Carlo-Code EMC3 [1] in Zusammenarbeit mit dem W7-AS-Inseldivertor-Experiment entwickelt. Er basiert auf einem Flüssigkeitsmodell für sowohl das Hauptplasma als auch die Verunreinigungen. Koppelt man EMC3 mit Eirene [2], so ist EMC3-Eirene derzeit das einzige numerische 3D-Werkzeug, welches geeignet ist, selbstkonsistent das Plasma, die Verunreinigungen und den Transport der neutralen Teilchen in realistischen 3D-Scrape-off-Layern (SOLs) mit komplexer Felder- und Divertorgeometrie zu behandeln. Gegenwärtig wird der Code verwendet, um 3D-Randschichttransportprobleme in sowohl Stellaratoren als auch Tokamaks zu lösen. Auch stellt er eine Verbindung her zwischen Tokamaks und Stellartoren bei der Entwicklung optimaler Plasmaausströmungskonzepte für Fusionsmaschinen auf breiterer Konfigurationsbasis [3].

Das Verstehen von Plasmatransport und -ausströmungen sowie von Plasmawandwechselwirkungsprozessen im Inseldivertor, das Optimieren des Inseldivertorkonzeptes und das Identifizieren potentiell kritischer Sachverhalte auf dem Weg zu einem Fusionskraftwerk sind die wichtigsten Anwendungen von EMC3-Eirene in W7-X. Zusätzlich werden weltweit vernetzte Forschungen zu optimierten Divertorkonzepten für Stellaratoren und Tokamaks die Divertordatenbank erweitern und die Möglichkeiten des Codes zur Voraussage für die nächsten geplanten Forschungsreaktoren verbessern. Auf diesem Gebiet gibt es enge Zusammenarbeiten mit internationalen Gruppen an LHD, ASDEX Upgrade, JET, DIII-D, NSTX und ITER.

Der EMC3-Eirene-Code muss weiter in Richtung komplexerer Physik entwickelt werden. Ein zeitabhängiger Solver wird die Anwendungsbreite des Codes erweitern, um dynamische Prozesse abdecken zu können. Das „trace impurity“-Modell wird in Richtung eines Multi-Flüssigkeit-Modells entwickelt werden müssen. Außerdem ist EMC3 gut kompatibel mit kinetischen Verunreinigungs-Transport-Modellen. Die Physik von Potentialen und Strömen in allgemeinen 3D-SOLs muss geklärt und Drifteffekte in den Code selbstkonsistent implementiert werden. Es ist ebenfalls geplant, mehr PSI-Physik einzuarbeiten.

[1] Feng Y et al. 2004 Contrib. Plasma. Phys. 44 57
[2] Reiter D et al 2005 Fusion Science and Technology 47 172
[3] Feng Y et al 2011 Plasma Phys. Control. Fusion 53 024009