Validation of theory based transport models in tokamak plasmas [Elektronische Ressource] / Giovanni Tardini

Description

Max-Planck-Institut fur PlasmaphysikValidation of theory based transportmodels in tokamak plasmasGiovanni TardiniTechnische Universit at Munc hen2003Technische Universit at Munc henValidation of theory based transportmodels in tokamak plasmasGiovanni TardiniVollst andiger Abdruck der von der Fakult at fur Physik der TechnischenUniversit at Munc hen zur Erlangung des akademischen Grades einesDoktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)genehmigten Dissertation.Vorsitzender: Univ.-Prof. Ph. D. F. KochPrufer der Dissertation: 1. Hon.-Prof. Dr. R. Wilhelm2. Univ.-Prof. Dr. H. FriedrichDie Dissertation wurde am 19. 02. 2003 bei der Technischen Universit at Munc heneingereicht und durch die Fakult at fur Physik am 27. 05. 03 angenommen.AbstractHeat transport in tokamaks is several orders of magnitude higher than predicted by thecollisional theory. A physical understanding of the phenomena limiting energy con ne-ment is a basic requirement in order to make reliable predictions about the fusion gain ofthe future tokamak reactor ITER and to investigate new scenarios and plasma regimes.Since decades anomalous transport has been addressed by means of empirical and semi-empirical models.

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 13
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

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Validationmodelsofintoktheoryamakbasedplasmastransport

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atersit¨Univ

2003

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TechnischeUniversit¨atM¨unchen

Validationmodelsofintoktheoryamakbasedplasmastransport

vGioardiniTanni

Vollst¨andigerAbdruckdervonderFakult¨atf¨urPhysikderTechnischen
Universit¨atM¨unchenzurErlangungdesakademischenGradeseines
DoktorsderNaturwissenschaften(Dr.rer.nat.)
Dissertation.genehmigten

Vorsitzender:Univ.-Prof.Ph.D.F.Koch
Pr¨uferderDissertation:1.Hon.-Prof.Dr.R.Wilhelm
2.Univ.-Prof.Dr.H.Friedrich

DieDissertationwurdeam19.02.2003beiderTechnischenUniversit¨atM¨unchen
eingereichtunddurchdieFakult¨atf¨urPhysikam27.05.03angenommen.

Abstract

Heattransportintokamaksisseveralordersofmagnitudehigherthanpredictedbythe
collisionaltheory.Aphysicalunderstandingofthephenomenalimitingenergyconfine-
mentisabasicrequirementinordertomakereliablepredictionsaboutthefusiongainof
thefuturetokamakreactorITERandtoinvestigatenewscenariosandplasmaregimes.

Sincedecadesanomaloustransporthasbeenaddressedbymeansofempiricalandsemi-
empiricalmodels.Thetheoreticalresearchassumesthatmicro-instabilitiesdrivenby
plasmaturbulenceareresponsiblefortheconfinementdegradation,butthefullsimula-
tionswiththecomprehensivetheoreticalcodesrequirefartoolongcomputingtimeto
affordavalidationagainstanextensiveexperimentaldatabase.
Onlyintheearlyninetiesonedimensional,theorybasedmodelshavebeendeveloped,
relyingonthefluidapproach.Thesemodelsallowcomparisonswiththeexperimental
resultswithoutanyadhocadjustmentofempiricalfittingparametersand,ontheother
hand,withouttoolongcomputingtime.

Inthepresentworkthemostcommonlyacceptedmodelsarevalidatedagainstalarge
databaseofselectedASDEXUpgradedischarges.ImportantresultsfromJET,thelargest
tokamakbuiltsofar,areincludedaswell,totestthemodelsonadifferentsizeddevice
andtoincreaseconfidenceintransportpredictionsandinextrapolationstoITER.

asAsaquanresulttitativofetheevaluationssystematicofthecomparisonpredictingwithcapabilittheayvofailablethemodata,delsarequalitativpreseneasted.wellA
physicsinterpretationoftheheattransportphenomenologyintheconventionalscenario
discussed.andosedpropis

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Danksagung

Ichm¨ochtemichzuerstbeiProf.Wilhelmf¨urseineakademischeBetreuungbedanken.
MeinDankgiltvorallemanDr.ArthurPeeters,dessenZusammenarbeitstetswertvoll
undermutigendgewesenist.UnsereTransportanalysisGruppehatnichtnureinebekan-
ntlicheinfacheStruktur,sondernaucheinsch¨onumg¨anglichesArbeitsklima.Physikzu
lernen,zurFusionsforscungbeizutragenunddabeinochSpasszuhabenistbeimirGrund
eit.DankbarkderIchdankeDr.GrigoryPereverzev,derdengrossenVerdiensthat,denASTRACode
geschriebenzuhabenundimmerwiederzuaktualisieren.SeineHilfsbereitschaftbei
denvielenmeinenFragenundASTRA-W¨unschenistbeeindruckend.Dankef¨urdas
“physikalischste”IPP-Kolloquium,dasichbishergeh¨orthabe.
DerAustauschmitDr.ClementeAngioniwarbesondershilfsreich.Vonihmhabeich
gelernt,wieweitmaneine“blackbox”aufmachenunduntersuchenkann.Esistviel
interessanter,eineForschungzuzweitzuverfolgen.
DerganzenTokamakabteilungdankeichherzlichf¨urdieGesellschaftunddieinteressan-
tenphysikalischenDiskussionen.Prof.LacknerhatwesentlichzumeinerEntscheidung
f¨urdieseThemenstellungbeigetragen.
Besondersverpflichtetf¨uhleichmichHerrnDr.FrancoisRyter:ohneihnw¨urdendie
bedeutsamstenexperimentellenBefundef¨urmeineDoktorarbeitnichtexistieren.Diese
ZusammenarbeitmitaltenWurzelnundimmerfruchtbaremMeinungsaustauschistim
RahmenderunofiziellenTask-Force“GME”(GemeinsamMittagEssen)zustandegekom-
men.AndieserStellemussichmichnochbeiden¨ubrigen“GME”-Mitgliedernbedanken,f¨ur
diegem¨utlicheUnterhaltungunddiephysikalischeBereicherung:Dr.EmanuelePoli,Dr.
FritzLeuterer,StefanoRiondato,Dr.DietmarWagner,Dr.AdrianoManiniundDr.
v.KiroKrassimirDasganzeASDEXUpgradeTEAMverdientmehralseinDankwortf¨urdieDurchf¨uhrung
derExperimentesowief¨urdiesorgf¨altigeDiagnostikverwaltung,durchdiemirumfangre-
icheDatenzurVerf¨ugunggestelltwurden.DieTheorieistzwarnichtgrau,wiemansie
bezeichnet,aberersteinstetigerVergleichmitdemExperimentverleihtihrBestandund
eit.assigkerl¨ZuvZumSchlussm¨ochteichmichbeiallenFreundenbedanken,dennohneFreundschaft
¨uberlebeichkeinedreiWochen,umsowenigerdreiJahre.
Diegr¨ossteDankbarkeitgiltLucia,meinerFrau,diedieLauneunddieWitzeeinesPhysik-
ersschonlangeertr¨agt.DurchihreGegenwartwerdeichimmerwiederinderWirklichkeit
festgehalten.

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Zusammenfassung

DieKernfusionisteinevielversprechendeL¨osungf¨urdenweltweitsteigendenEnergiebe-
darf,diedieUmweltwenigerbelastetundimVergleichzuKernspaltungeindeutlichgerin-
geresradiologischesProblemdarstellt.DieReaktionerfolgtsichdurchdieVerschmelzung
zweileichterNuklidezueinemschwererenAtomkern.DerMassendefektsorgtumEn-
ergiegewinn,aberdieCoulomb-BarrierezwischendenpositivgeladenenNuklidenmuss
erst¨uberwundenwerden.Dief¨ureinenReaktornotwendigeFusionsrateistdurchhohe
TemperaturundTeilchendichtebedingt;beideninFragekommendenTemperaturenist
dieMaterievollionisiertundbefindetsichsomitimPlasmazustand.
DieerfolgreichsteAnlagef¨urdenEinschlusshochenergetischergeladenerTeilchenistder
Tokamak,derdasPlasmaineinerg¨unstigenMagnetfeldkonfigurationeinschliesst.Trotz-
demsindEnergieverlustemehrereGr¨osseordnungenh¨oheralsdiekollisionaleTheorie
vorhersagt.InHinblickaufeinenFusionsreaktoristdasVerst¨andnisderdenEnergiein-
schlussbegrenzendenPh¨anomeneeineunabdingbareVoraussetzung,dieseitJahrzehn-
tendieFusionsforschungmith¨ochstemVorrangbesch¨aftigt.Einebesserethermische
Isolierungw¨urdezueinemkleinerenTokamakreaktormitdemgleichenFusionsgewinn
f¨uhren,wasbedeutendetechnischeund¨okonomischeVorteilemitsichbringenw¨urde.
JahrzehntelanghatmandenW¨armetransportinTokamaksmittelsempirischerbzw.halb-
empirischerModelleinterpretiert.DashatimmerwiederneueExperimentestimuliert.
DennochkanneinephysikalischeErkl¨arungderbeobachtetenTransporteigenschaftenauf
dieserWeisenurnahegelegt,nichtbewiesenwerden,weilvieleunterschiedlicheAns¨atze
zumgleichenErgebnisf¨uhren.InsbesonderesinddieVorhersagenf¨ureinenk¨unftigen
Tokamakoderf¨ureinneuesSzenarionurdannzuverl¨assig,wenneinModellkeinadhoc
Parameterenth¨alt,dassichzugunstenderneuenexperimentellenSituationeichenl¨asst.
DieExtrapolationenf¨urden“InternationalTokamakExperimentalReactor”(ITER)
gewinnenwedereineBest¨atigungnocheinevertauensw¨urdigeKorrekturvonsolchenem-
dellen.MohenpiriscSeitetwa30JahrengehtdietheoretischeForschungdavonaus,dassMikroinst¨abilit¨aten
imPlasmaf¨urdenanomalenW¨armetransportverantwortlichsind,indemsieTurbulenz
erzeugen,dieeineWellenl¨angeimBereichdesGyrationsradiusderIonenumdasMagnet-
feldbesitzt.AbererstdieEntwicklungvonvereinfachten,abertheoretischbegr¨undeten
1D-ModellenhatesAnfangder90erJahreerm¨oglicht,einenquantitativenVergleichzwis-
chenExperimentenundtheoretischenVorhersagenohnejeglicheAnpassungandieexperi-
mentellenBefundeundohnezulangeRechenzeitdurchzuf¨uhren.DieseM¨oglichkeitwurde
jedochbishernurbegrenztgenutzt.
ZieldieserDissertationist,mitHilfederumfangreichenASDEXUpgradeDatenbasisund
ducrhEinbeziehungwichtigerErgebnissevonderweltweitgr¨osstenTokamakanlage“Joint
EuropeanTorus”(JET)zueinersystematischenValidierungderexistierendenthereotis-

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chenTransportmodellezugelangen.AlsErgebnisderArbeitwurdenwichtigeErkentnisse
zumanomalenTransporterzielt,diezurFusionsforschunginsbesondereinHinblickauf
einenk¨unftigenTokamakreaktorwesentlichvoranbringenk¨onnten.
DazuwurdeeineumfassendeundgezielteDatenbankzusammengestellt,dieeserlaubt,die
EigenschaftenderModelleimDetailzu¨uberpr¨ufen.DurchHinzunahmevonEntladungen
mit“verbessertemRandeinschluss”(H-mode)imsogenannten“konventionellenSzenario”,
sowie¨uberExperimentemitvorwiegenderElektronenheizung(¨uberHochfrequenzver-
fahren)andererseitswerdengetrennteAussagen¨uberIonen-undElektronenw¨armetransport
h.oglicm¨F¨urdiegenauereAnalysewurdendieModelleineinenflexiblenTransportCodeeingebaut
undaufdieausgew¨ahltenEntladungenangewandt.Analysismittelnzurqualitativensowie
quantitativenAuswertungderVorhersagef¨ahigkeitderjeweiligenModellesindeingef¨uhrt.
Somiterg¨anzensichverschiedeneBeitr¨agezumVerst¨andnisvomanomalenTransport.
DieBegrenzungenderAnwendbarkeitderModellewerdenvorgestelltunddieHaupt-
abh¨angigkeitenhervorgehoben.DiephysikalischenEffekte,welchedurchdieVariation
vonwichtigenPlasmaparameternzustandekommen,sindsorgf¨altigdurchgezielteParam-
eterscansuntersucht.
ImErgebnisf¨uhrtdiesersystematischeVergleichzwischenTheorieundExperimentzu
wichtigenAussageninBezugaufIonen-sowieElektronenw¨armetransport.Diephysikalis-
chenAnnahmenderModellewerdenanhandderexperimentellenErgebnissebeurteilt.
DieresultierendenSchlussfolgerungenaufdiedenTransporterh¨ohendendenTurbulen-
zph¨anomenewerdenaufgef¨uhrtundimDetaildiskutiert.Insbesonderestelltsichdiedurch
denIonentemperaturgradientengetriebeneModealsdiedominierendeInstabilit¨atf¨urden
vergleichsweisestarkenIonentranspo