Self-consistent modeling of plasma response to impurity spreading from intense localized source

Beschreibung

In heutigen Kernfusionsanlagen sind Verunreinigungen in heißenWasserstoff- Plasmen unvermeidlich. Sie treten infolge immanenter Prozesse, wie der Wechselwirkung des Plasmas mit Gefäßwänden oder auch durch gezieltes Einblasen, auf. Üblicherweise werden Verunreinigungsteilchen beim Einblasen räumlich stark lokalisiert in das Plasma eingebracht, so dass eine signifikante Veränderung lokaler Plasmaparameter zu erwarten ist, die ihrerseits wiederum Auswirkungen auf die Verteilung der Verunreinigungen hat. Eine selbstkonsistente Modellierung der Wechselwirkung zwischen Verunreinigungen und Plasma ist deshalb nicht mit linearen Ansätzen möglich. In dieser Arbeit wird ein Modell entwickelt, das auf einer Flüssigkeitsbeschreibung der Elektronen, Wasserstoff- und Verunreinigungskomponenten basiert. Dieses Modell beschreibt den Transport der Verunreinigungen und deren Wirkung auf das Hauptplasma unter Berücksichtigung der Quasineutralität des gesamten Plasmas, der Coulomb-Stöße geladener Teilchen untereinander, der Strahlungsverluste und der Plasma-Wand-Wechselwirkung an den angrenzenden Oberflächen. Um den Effekt der Ausbreitung von Verunreinigungen und die Reaktion des Plasmas selbstkonsistent zu beschreiben, werden die Erhaltungsgleichungen der Fluid-Theorie für Teilchen, Impuls und Energie von allen beteiligten Plasmakomponenten gelöst. Die Erhaltungsgleichungen werden zu gewöhnlichen Differentialgleichungen für die zeitliche Entwicklung der Parameter reduziert, welche charakteristisch für die eigentliche Lösung sind: die Größen der Plasmadichte und Plasmatemperaturen in den Bereichen, in denen die Verunreinigungen lokalisiert sind, sowie die räumliche Ausdehnung dieser Bereiche. Die Ergebnisse aus Simulationsrechnungen mit typischen Bedingungen in Tokamak-Experimenten zur Verunreinigungsinjektion werden dargestellt und diskutiert. Ein neuer Mechanismus für das Phänomen der Kondensation und der Bildung von kalten dichten Strukturen im Plasma wird vorgeschlagen.

Autor*in

Mikhail Koltunov

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