Modellierung und Optimierung gyrokinetischer Turbulenz in Stellaratoren

Modellierung und Optimierung gyrokinetischer Turbulenz in Stellaratoren

Das Projekt beinhaltet den Code GIST, welcher das dreidimensionale Magnetfeld für Berechnungen mit dem massiv parallelen nichtlinearen gyrokinetischen Euler-Code GENE geometrisch beschreibt.

Beide Codes sind am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald und Garching in Zusammenarbeit mit internationalen Kooperationspartnern entwickelt worden. Von Interesse sind dabei numerische Untersuchungen über 3D-Mikroturbulenz, deren Optimierung und Statistik sowie die Modellierung des abgeleiteten Transports in verschiedenen Konfigurationen vom Typ Stellarator.

Beschreibung des GIST-Codes

Der Code GIST (Geometry Interface for Stellarators and Tokamaks) wurde zur Berechnung der benötigten geometrischen Information für den nichtlinearen gyrokinetischen Code GENE entwickelt, um Simulationen in einem beliebigen toroidalen Plasma mit geschlossenen Flussflächen zu untersuchen. GIST liest die Daten aus dem wout.txt-File des VMEC-Gleichgewicht-Codes (derzeit werden die Versionen 6.90, 8.00 und 8.46 bis 8.50 unterstützt) oder dem EFIT-File (für Tokamak-Rechnungen). Auf Grundlage dieser Informationen generiert GIST die Geometrie entweder für einen Flussschlauch (ein Berechnungsgebiet um eine einzelne Magnetfeldlinie herum auf einer vorgegebenen Flussfläche) oder aber eine Gruppe von Schläuchen, die eine ausgewählte magnetische Fläche überdecken (für die Vollflächenversion von GENE). GIST ist ausführlich dokumentiert worden und wird mit Hilfe von Versionskontrolle (svn) gepflegt. Um diesen Code zu benutzen, wenden Sie sich bitte an Pavlos Xanthopoulos (Kontaktdaten siehe rechte Spalte).

GIST User Manual
(eine etwas detailiertere Dokumentation finden Sie unter: P. Xanthopoulos, W.A. Cooper, F. Jenko, Y. Turkin, A. Runov and J. Geiger “A geometry interface for gyrokinetic microturbulence investigations in toroidal configurations” PoP 16, 082303 (2009)).

Beispiele für GIST: links W7-X und rechts QUASAR (normalisiert für GENE).

 

Vollflächenversion von GENE 

Die Hauptrichtung der GENE-Entwicklung für Stellaratoranwendungen ist die Erweiterung des Originalmodells (basierend auf dem Flussschlauch-Modell) zu einem Vollflächen-Modell, welches eine vollständige Stellaratorflussfläche (mit unendlich kleiner radialer Ausdehnung) simulieren kann. Die Bedeutung dieser Annahme ist in der Tatsache begründet, dass in einer nichtaxialsymmetrischen Konfiguration die einzelnen Flussschläuche normalerweise unterschiedliche Eigenschaften bezüglich der Mikroinstabilitäten und der damit verbundenen Turbulenz haben.
 
Im folgenden Bild sind elektrostatische rms-Dichtefluktuationen in einer toroidalen Periode des W7-X dargestellt (links die Abwicklung der Fläche), welche durch ITG-Turbulenz hervorgerufen werden. Beachtenswert ist, dass Fluktuationen sich hauptsächlich entlang eines schmalen Bandes auf der Außenseite der Konfiguration befinden.

Elektrostatische rms-Dichtefluktuationen in einer toroidalen Periode des W7-X (links die Abwicklung der Fläche).

Diese Eigenschaft steht in großem Kontrast zum Tokamak (siehe unten), wo starke Fluktuationen überall auf der Außenseite vorhanden sind, da dort die Krümmung unvorteilhaft ist. Zu beachten ist die Variation der Fluktuationsamplitude, die in der axialsymmetrischen Konfiguration viel kleiner als in W7-X ist.

Tokamak, wo starke Fluktuationen überall auf der Außenseite vorhanden sind.

Der Film "movie.flv" in der rechten Spalte zeigt die Entwicklung einer ITG-Dichtefluktuation auf einer magnetischen Oberfläche des W7-X.

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