Gyrokinetic simulation of multimode plasma turbulence [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Florian Merz

Matthias Kammerer Tok, L5 324, 1073

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• Physik

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• Publié par: westfalische_wilhelms-universitat_munster
• Publié le: 01 janvier 2008
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• Langue: English
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Extrait

Plasmaphysik
Dissertationsthema
GYROKINETIC SIMULATION
OF
MULTIMODE PLASMA TURBULENCE
Inaugural-Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften im Fachbereich Physik
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult t
der Westf lischen Wilhelms-Universit t M nster
vorgelegt von
Florian Merz
aus Rottweil
2008Dekan: Prof. Dr. Johannes Wessels
Erster Gutachter: Prof. Dr. Frank Jenko
Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Rudolf Friedrich
Tag der m ndlichen Pr fung: 12.11.2008
Tag der Promotion: 06.02.2009Abstract
Anomalous transport in magnetically con ned fusion plasmas is one of the principal obstacles
on the way towards power plants based on fusion energy. It is induced by turbulence on scales
that are comparable to the gyroradius of the charged plasma particles, and leads to a degrada-
tion of con nement, which makes it very dif cult to reach the conditions that are necessary for
a self-sustained fusion reaction in the plasma. An important goal of fusion research is there-
fore to identify and understand the processes that determine the level of anomalous transport,
allowing for a prediction or even reduction of this nonlinear effect.
In the present thesis, a numerical approach to plasma microturbulence is pursued. The
gyrokinetic equations, which describe magnetized plasmas at fusion relevant conditions, are
presented in a form that is suitable for a numerical treatment. The equations are formulated for
general magnetic geometries and include a linearized Landau-Boltzmann collision operator,
the in uence of the pressure gradient, and other physical effects, extending and generalizing
previous presentations of this kind.
Some of the numerical issues concerning the implementation of these equations in the mas-
sively parallel plasma turbulence code GENE are discussed, focusing on the signi cant modi-
cations and improvements that were introduced as part of this PhD project. The modi cations
include new time stepping schemes and other optimizations that allow for faster computations,
improvements of the parallelization that enables the ef cient use of thousands of processors,
and anti-aliasing procedures that make the simulations more reliable and robust. An important
new feature that is also discussed is an interface to an iterative eigenvalue solver, which can be
used to ef ciently access arbitrary parts of the eigenvalue spectrum of the linear gyrokinetic
operator.
This eigenvalue solver is used to study higher dimensional parameter dependencies of tran-
sitions between well known plasma microinstabilities, which leads to the discovery of non-
Hermitian degeneracies in linear gyrokinetics. The implications of this nding and analogies
to other elds like quantum mechanics are discussed.
Nonlinear investigations of pure trapped electron mode (TEM) driven turbulence show that
zonal ows, which are crucial for the saturation of the well studied ion temperature gradient
(ITG) mode driven turbulence, are often not essential in the TEM case. A detailed inves-
~ ~tigation of the statistical properties of the EB nonlinearity suggests that the latter can be
approximated by a simple diffusion term, con rming numerically, for the rst time, longstand-
ing predictions based on renormalized turbulence theories. These ndings are used to justify
a quasilinear transport model that has been applied successfully to pure TEM turbulence in
previous works.
The transitions between TEM and ITG turbulence are studied systematically, revealing a
coexistence of the two kinds of turbulence for a wide range of parameters. Surprisingly, it is
found that a single wavenumber may be associated with different frequencies belonging to dif-
IIferent modes. Two different mechanisms that lead to the experimentally relevant condition of
zero particle transport are identi ed. A simple quasilinear model, which is shown to describe
some basic features of the transition, is presented. The model allows for high dimensional
parameter scans and can be used to understand the parameter dependencies of the experimen-
tally relevant hypersurface of zero particle transport. As an example, the dependence of the
TEM-ITG system on the collision frequency is studied.
Finally, some of the rst simulations of ITG turbulence in the W7-X stellarator in realistic
geometry are presented, both in the adiabatic electron approximation and for fully gyroki-
netic electrons and ions, demonstrating the advances in computational gyrokinetics. Several
features like the gradient dependence of the ion heat transport are discussed, suggesting a sig-
ni cant potential of non-axisymmetric devices for a systematic control of turbulent transport.
IIIZusammenfassung
Der anomale Transport in magnetisch eingeschlossenen Hochtemperaturplasmen ist eines der
gr ten Hindernisse f r die Verwirklichung von Fusionskraftwerken. Er wird durch Turbulenz
auf Skalen vergleichbar zum Gyroradius der geladenen Plasmateilchen verursacht und f hrt
zu einer Verschlechterung des Einschlussverhaltens, was das Erreichen der Z ndbedingung,
die f r eine selbsterhaltende thermonukleare Reaktion im Plasma notwendig ist, deutlich er-
schwert. Ein wichtiges Ziel der Fusionsforschung ist es daher, die physikalischen Prozesse, die
das Transportniveau bestimmen, zu identi zieren und zu verstehen und somit eine Vorhersage
oder sogar Beein ussung anomalen Transports zu erm glichen.
In der vorliegenden Arbeit wird hierzu ein numerischer Ansatz verfolgt. Die gyrokinetischen
Gleichungen, die magnetisierte Plasmen bei fusionsrelevanten Parametern beschreiben, wer-
den f r die numerische Behandlung vorbereitet. In der hier gezeigten Form sind sie f r allge-
meine magnetische Geometrien g ltig und beinhalten einen linearisierten Landau-Boltzmann-
Stossoperator, den Ein uss des Druckgradienten und andere physikalische Effekte und erweit-
ern und verallgemeinern somit fr here Darstellungen.
Es werden einige Aspekte bez glich der numerischen Implementierung dieser Gleichungen
in den massiv parallelen Plasmaturbulenz-Code GENE diskutiert, wobei der Schwerpunkt
auf den deutlichen Modi kationen und Verbesserungen liegt, die im Laufe dieser Doktor-
arbeit in den Code einge ossen sind. Beispielsweise wurden die Rechenef zienz u.a. durch
neue Zeitschrittverfahren deutlich optimiert, die Parallelisierung verbessert und Antialiasing-
Verfahren eingef hrt, die die Simulationen verl sslicher und robuster machen. Eine wichtige
Neuerung stellt auch die Schnittstelle zu einem iterativen Eigenwertl ser dar, der die Unter-
suchung beliebiger Bereiche des Eigenwertspektrums des linearen gyrokinetischen Operators
erlaubt.
Dieser Eigenwertl ser wird benutzt, um die Parameterabh ngigkeit von ber g ngen zwi-
schen den bekannten Mikroinstabilit ten zu untersuchen. Diese Untersuchung f hrt zur Ent-
deckung nichthermitescher Entartungen in der linearen Gyrokinetik; die daraus resultierenden
Implikationen und Analogien mit anderen Fachgebieten wie der Quantenmechanik werden
diskutiert.
Nichtlineare Untersuchungen reiner Trapped Electron Mode (TEM) Turbulenz zeigen, dass
zonale Str mungen, die f r die S ttigung der gut untersuchten Ion Temperature Gradient
Mode (ITG) Turbulenz entscheidend sind, im TEM-Fall oft nicht wichtig sind. Eine genaue
~ ~Untersuchung der statistischen Eigenschaften der EB -Nichtlinearit t ergibt, dass diese
durch einen einfachen Diffusionsterm approximiert werden kann, was theoretische Vorher-
sagen im Rahmen von renormierten Turbulenztheorien zum ersten Mal numerisch best tigt.
Dieses Ergebnis liefert nachtr glich auch die Grundlage f r ein quasilineares Transportmodell,
das in fr heren Arbeiten bereits erfolgreich angewandt wurde.
Weiterhin werden die ber g nge zwischen TEM- und ITG-Turbulenz ausf hrlich unter-
IVsucht. ber einen weiten Parameterbereich zeigt sich eine Koexistenz der beiden Turbulenz-
arten, in manchen F llen erstaunlicherweise sogar bei der gleichen Wellenzahl. Zwei Mech-
anismen, die zur experimentell relevanten Bedingung von verschwindendem Teichentrans-
port f hren, werden identi ziert. Ein einfaches quasilineares Modell wird vorgestellt, das
einige der grundlegenden Merkmale des ber gangs beschreiben kann. Das Modell erlaubt
hochdimensionale Untersuchungen des gyrokinetischen Parameterraums und kann f r Unter-
suchungen der Parameterabh ngigkeit der Hyper che mit verschwindendem Teilchen uss
benutzt werden. Dies wird am Beispiel der Abh ngigkeit des TEM-ITG-Systems von der
Sto frequenz demonstriert.
Zuletzt wird noch ITG-Turbulenz im Stellarator W7-X untersucht. Es werden sowohl Simu-
lationen in der N herung adiabatischer Elektronen als auch mit einer vollen gyrokinetischen
Behandlung beider Spezies pr sentiert, was die Fortschritte in der numerischen Beschreibung
von Plasmaturbulenz verdeutlicht. Es werden einige Aspekte der Turbulenz in W7-X wie z.B.
die Abh ngigkeit des Ionen-W rmetransports vom Temperaturgradienten diskutiert und das
Potential verschiedener nicht-axialsymmetrischen Magnetfeldkon gurationen aufgezeigt.
VContents
1. Introduction 1
2. Gyrokinetics 5
2.1. Basic description of a plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2. Geometry and coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1. Flux tube approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2. Guiding-center coordinates . . . . . . . . . . . . .