Investigation of different models for the phase space transport of energetic particles by Alfvénic instabilities in tokamaks

Abstract

Der Transport supra-thermischer Teilchen in Fusionsplasmen lässt sich wegen derbreiten Orbits und auftretender Resonanzen nur unzureichend mit einem lokalen und1-d radial-diffusiven Transportmodell beschreiben. Um diese fundamentale Annahme der quasi-linearen Transporttheorie zu verallgemeinern, wird der Transport im Phasenraumbetrachtet. Eine generelle gyrokinetische Theorie wurde in den letzten Jahr enentwickelt - die Transporttheorie von zonalen Strukturen im Phasenraum (PSZS - phasespace zonal structure transport). Ein Transportcode wurde entwickelt, der die Physik in genereller Tokamakgeoetrie für beliebige Verteilungsfunktionen beschreibt. In dieser Masterarbeit soll die bisher implementierte Methode zur Berechnung der Phasenraumfluesse im Detail untersucht, verallgemeinert und gegebenenfalls verbessert werden. Verschiedene Näherungen des Diffusionskoeffizienten im Phasenraum, wie der der Quasilinear-Theory oder des Mixing-Length-Models, sollen verglichen werden und ihr Einfluss auf die Relaxation von ITER-relevanten Schnellen-Teilchen-Profilen durch Simulationen verschiedener Testfälle und Vergleich der zugrundeliegenden Theorie quantifiziert werden.

The transport of supra-thermal particles in fusion plasmas can only be inadequatelydescribed with a local and 1-d radial-diffusive transport model due to the broad orbitsand resonances that occur. In order to generalize this fundamental assumption of quasilineartransport theory, transport in phase space is considered. A general gyrokinetictheory has been developed in recent years - the transport theory of zonal structuresin phase space (PSZS - phase space zonal structure transport). A transport code hasbeen developed that describes the physics in general Tokamak geometry for arbitrarydistribution functions [14]. In this master’s thesis, the previously implemented methodfor calculating the phase space flows is to be examined in detail, generalized and, ifnecessary, improved. Different approximations of the diffusion coefficient in phase space,such as the one obtained with use of the quasi-linear theory or the mixing length model,will be compared and their influence on the relaxation of ITER-relevant fast-particleprofiles will be quantified by simulating different test cases and comparing the underlyingtheory.