Magnetohydrodynamik und schnelle Teilchen

Magnetohydrodynamik und schnelle Teilchen

Die Forschungseinheit Magnetohydrodynamik und schnelle Teilchen (MHD) befasst sich mit theoretischen Untersuchungen großskaliger magneto-hydrodynamischer Instabilitäten und ihrer Wechselwirkung mit supra-thermischen Teilchen in künftigen „brennenden“ Fusionsplasmen. Um diese Phänomene beschreiben zu können, werden Flüssigkeits-, Hybrid-, und kinetische Modelle und Simulations-Codes entwickelt. Die Arbeiten konzentrieren sich auf Tokamaks, aber auch stellartorbezogene Fragestellungen werden untersucht.

Transiente magneto-hydrodynamische Ereignisse und ihre Regelung sind eine große Herausforderung für ITER und DEMO. Mit Hilfe theoretischer Modelle lässt sich – nach sorgfältiger experimenteller Validierung – ein solides physikalisches Verständnis aufbauen und auf zukünftige Anlagen hochrechnen. Eines der schädlichsten magneto-hydrodynamischen Ereignisse in Tokamaks sind Stromabbrüche und die damit verbunden vertikalen Instabilitäten (VDEs) sowie relativistische Elektronen (REs). Hierzu entwickelt die Forschungseinheit Kontroll- und Milderungsstrategien, die übermäßige Kräfte auf das Gefäß sowie Wärmebelastungen der Wand vermeiden. Ebenso untersucht werden Randinstabilitäten (Edge Localized Modes, kurz ELMs), deren große transiente Wärmelast die Lebensdauer von Divertor-Bauteilen verkürzen kann. Ziel ist es, ein detailliertes physikalisches Verständnis zu erlangen, zuverlässige ELM-freie Betriebsweisen zu entwickeln sowie Techniken zur ELM-Milderung oder -Unterdrückung.

Um das Verhalten super-thermischer Helium-Teilchen in einem brennenden Fusionsplasma vorherzusagen, werden theoretische Modelle und numerische Werkzeuge benötigt, die dem kinetischen Multi-Skalen-Charakter des Problems gerecht werden. Daher entwickelt, verifiziert und validiert die Forschungseinheit eine Hierarchie von Modellen, beginnend mit schnellen analytischen Näherungen über hybrid-fluid-kinetische Modelle bis zu globalen gyrokinetischen Simulationen. Untersucht werden lineare Stabilitätsgrenzen, die nicht-lineare Dynamik und der globale Transport von schnellen Teilchen, hauptsächlich durch Alfvénische oder globale MHD-Moden. Die enge Zusammenarbeit mit Tokamak-Anlagen – insbesondere mit ASDEX Upgrade, aber auch mit JT-60SA und JET – stellt sicher, die immer besser diagnostizierten und komplexeren Plasmaszenarien richtig zu interpretieren und grundlegend zu verstehen. Dies trägt dazu bei, die Experimente optimal zu nutzen und einen erfolgreichen Betrieb künftiger Tokamaks wie ITER und DEMO vorzubereiten.

Die wichtigsten Codes, die in der Forschungseinheit genutzt bzw. entwickelt werden, um MHD-Instabilitäten zu untersuchen, sind der lineare visco-resistive Code CASTOR3D für Tokamaks und Stellaratoren, der nicht-linear Zwei-Flüssigkeits-MHD-Code TM1 für Limiter-Tokamaks mit großem Aspektverhältnis und der erweiterte nicht-lineare MHD-Code JOREK für Divertor-Tokamaks. Kinetische Physik-Probleme bearbeitet die Forschungseinheit mit LIGKA/HAGIS, HMGC, ORB5 und dem full-f-gyrokinetischen Code TRIMEG für Divertor-Tokamaks.

Die Forschungseinheit arbeitet eng mit ASDEX Upgrade, ITER sowie weiteren theoretischen und experimentellen Forschungseinheiten in Garching und Greifswald zusammen.

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