Erstmals: Realistische Simulation von Randinstabilitäten gelungen

Auslöser und Verlauf der Plasmainstabilität erklärt / Übereinstimmung mit dem Experiment

22. Oktober 2020

Unter den Belastungen, denen das Plasmagefäß in einer Fusionsanlage ausgesetzt sein kann, sind sogenannte Edge Localised Modes besonders unerwünscht. Die Entstehung und der Verlauf dieser Instabilität des Plasmarandes konnte nun durch Computer-Simulation erstmals erklärt werden.

Edge Localised Modes, kurz ELMs, sind eine der Störungen des Plasmaeinschlusses, die durch die Wechselwirkung zwischen den geladenen Plasmateilchen und dem einschließenden Magnetfeldkäfig zustande kommen. Dabei verliert das Randplasma kurzzeitig seinen Einschluss und wirft periodisch Plasmateilchen und -energie nach außen auf die Gefäßwände. Typisch ein Zehntel des gesamten Energieinhalts können so schlagartig ausgeschleudert werden. Während die jetzige Generation mittelgroßer Fusionsanlagen dies leicht verkraftet, wären Großanlagen wie ITER oder ein späteres Kraftwerk dieser Strapaze nicht gewachsen.
 

ELM-Ausbrüche am unteren Plasmarand von ASDEX Upgrade, simuliert per Computer. Das Video gibt für 35 Millisekunden die Entwicklung des Plasmadrucks über mehrere ELM-Zyklen wieder.

Computer-Simulation der ELM-Instabilität

ELM-Ausbrüche am unteren Plasmarand von ASDEX Upgrade, simuliert per Computer. Das Video gibt für 35 Millisekunden die Entwicklung des Plasmadrucks über mehrere ELM-Zyklen wieder.

 
Experimentelle Verfahren zum Abschwächen, Unterdrücken oder Vermeiden der ELMs in heutigen Fusionsanlagen wurden bereits erfolgreich entwickelt (siehe PI 3/2020). Durch Computer-Simulationen ist es nach umfangreichen Vorarbeiten nun erstmals gelungen, den Auslöser zu identifizieren, der für das explosionsartige Einsetzen dieser Randinstabilitäten verantwortlich ist, und die Entwicklung mehrerer ELM-Zyklen rechnerisch nachzuvollziehen – in guter Übereinstimmung mit experimentell beobachteten Werten. Eine in der Fachzeitschrift „Nuclear Fusion“ akzeptierte Veröffentlichung behandelt diese wichtige Voraussetzung dafür, die Instabilität in künftigen Anlagen vorherzusagen und zu vermeiden.

Die ELM-Instabilität baut sich nach einer Ruhephase von etwa 5 bis 20 Millisekunden – je nach äußeren Bedingungen – am Plasmarand auf, bis in einer halben Millisekunde zwischen 5 und 15 Prozent der im Plasma gespeicherten Energie auf die Wände geschleudert werden. Danach stellt sich das Gleichgewicht wieder her, bis der nächste ELM-Ausbruch folgt.

Die aus mehreren Laboratorien des europäischen Fusionsprogramms EUROfusion stammenden Plasmatheoretiker um Erstautor Andres Cathey vom IPP konnten die komplexen physikalischen Vorgänge hinter dieser Erscheinung genau beschreiben und erklären: als ein nicht-lineares Wechselspiel zwischen destabilisierenden Effekten – dem steilen Anstieg des Plasmadruckes am Plasmarand sowie dem Anwachsen der Stromdichte – und der stabilisierend wirkenden Plasmaströmung. Ändert man in der Simulation die in das Plasma eingespeiste Heizleistung, so zeigt sich im rechnerischen Ergebnis der gleiche Effekt auf die Wiederholrate, d.h. die Frequenz der ELMs, wie eine Erhöhung der Heizleistung in einem Plasma-Experiment an ASDEX Upgrade: Experiment und Simulation stimmen überein.

Obwohl die Vorgänge in sehr kurzer Zeit ablaufen, ist für ihre Simulation ein großer Rechenaufwand nötig. Denn die Simulation muss sowohl den kurzen ELM-Zusammenbruch in kleine Rechenschritte auflösen als auch die lange Entwicklungsphase zwischen zwei ELMs – ein Rechenproblem, das nur mit einem der gegenwärtig schnellsten Supercomputer lösbar war.

Für die Simulationen wurde der JOREK-Code benutzt, ein nichtlinearer Code zur Berechnung von Tokamak-Plasmen in realistischer Geometrie, der in europäischer und internationaler Zusammenarbeit mit wesentlicher Beteiligung des IPP entwickelt wird.

 

 

Originalveröffentlichung

1.
Andres Cathey et al.
Non-linear extended MHD simulations of type-I edge localised mode cycles in ASDEX Upgrade and their underlying triggering mechanism
Nuclear Fusion, 2020
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