Modelling of transport and pellet fuelling in ITER-relevant plasmas

Abstract

Voraussetzung für den erfolgreichen Betrieb des ITER-Experimentes ist die Optimierung des Fusionsreaktoraufbaus sowie der vorgesehenen Plasma-Entladungsszenarien, wofür Modellrechnungen für den Plasmatransport und damit verbundene Turbulenzerscheinungen erforderlich sind. Weiters besteht die Notwendigkeit, Vorhersagen zur Effizienz der Brennstoffzufuhr, welche im Wesentlichen durch Einschuss gefrorener Wasserstoff-Pellets erfolgen wird, treffen zu können.<br />Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Modellen, Simulationsprogrammen und neuen Lösungsansätzen zu wesentlichen Fragestellungen der Transport- und Pelletphysik in einem Tokamak-Plasma und deren Anwendung zur Vorhersage des Verhaltens von Plasmaentladungen in ITER.<br />Die grundlegenden Flussgleichungen für den Transport im Inneren eines Plasmas sowie zahlreiche Modelle zur Berechnung des anomalen Transports werden zusammengefasst. Neue Lösungsansätze zur Bestimmung des Plasmagleichgewichtes mittels der Grad-Shafranov-Gleichung werden aufgezeigt. Die innerhalb Europas gebräuchlichsten Plasmatransport-Simulationsprogramme, die auf der Basis der Flüssigkeitsgleichungen beruhen, werden vorgestellt und durch die Beschreibung eines neuen, simplen Transportcodes zu Code-Benchmarking-Zwecken ergänzt.<br />Die Grundlagen der Pelletphysik zur Berechnung des Depositionsprofils der Pelletteilchen im Plasma und ein von physikalischen Grundprinzipien abgeleitetes und dem aktuellen Wissensstand entsprechendes Modell werden im Detail erörtert. Besonderes Augenmerk wird auf die Driftbewegung der bereits ionisierten Pelletteilchen gelegt. Zahlreiche derzeit in Diskussion stehende Teilaspekte der zugehörigen Theorie werden durch analytische und numerische Berechnungen einer genauen Prüfung unterzogen und daraus resultierende Modifikationen und Ergänzungen vorgeschlagen.<br />Zwei neue Programme, welche der Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Dichte- und Temperaturprofile des Plasmas bei Einschuss eines Pellets direkt nach der vollständigen Homogenisierung des Pelletmaterials auf Grundlage der dargelegten Modelle beziehungsweise der Vorhersage der dynamischen Entwicklung einer vom Pellet abgesonderten Teilchenwolke im Vertikalschnittbild des Tokamaks dienen, werden präsentiert und beispielhafte Simulationsergebnisse für ITER-relevante Plasmen werden diskutiert.<br />Anhand der besprochenen Simulationsprogramme werden Abschätzungen für die zu erwartende Plasmacharakteristik in ITER-Standardszenarien getroffen.<br />Dabei werden die Auswirkungen einer anteilsmäßigen Änderung der Plasmaheizsysteme an der gesamten eingebrachten Hilfsheizleistung auf die erbrachte Fusionsleistung untersucht. Simulationen des gesamten Verlaufes einer Plasmaentladung von der frühen Stromaufbau- bis zur Stromabbauphase unter Annahme verschiedener Randbedingungen und Transportmodelle werden beschrieben und ausgewertet. Schließlich werden pelletspezifische Problemstellungen in ITER-Plasmen behandelt.<br />