Ab initio Simulation der Plasma-Wand-Kontaktzone : Entwicklung und Bewertung gitterfreier Algorithmen

• Ab initio simulation of the plasma wall interaction zone : development and evaluation of grid free algorithms

Salmagne, Christian; Kull, Hans-Jörg (Thesis advisor); Reiter, Detlev (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Kurzfassung

Die in der Plasmarandschicht ablaufenden Prozesse sind maßgeblich für die Qualität des ma- gnetischen Einschlusses in einem Fusionsplasma und damit letztendlich für die Funktion und die Effizienz eines zukünftigen Fusionsreaktors verantwortlich. Darum muss dieser Bereich des Plasmas im Betrieb genau kontrolliert und daher zunächst bis ins Detail verstanden werden. Eine Methode, um das Verständnis der komplexen Abläufe in der Plasma-Wand-Kontaktzone zu verbessern, ist die kinetische ab initio Teilchensimulation. Diese ist in der Lage, selbst die kleinsten relevanten Raum- und Zeitskalen aufzulösen. Das Particle-in-Cell (PIC) Verfahren, als ein gitterbasierter Vertreter dieser Simulationsklasse, wird bereits seit geraumer Zeit er- folgreich zur Simulation der Plasmarandschicht verwendet. In dieser Arbeit wird ein anderes Konzept der kinetischen Teilchensimulation hinsichtlich seiner Anwendbarkeit für die Simu- lation der Plasmarandschicht bewertet - der Barnes-Hut Tree-Code. Diese Methode wurde bereits sehr erfolgreich in der Simulation von Laserplasmen und in der Simulation von Gala- xien eingesetzt, und sollte sich aufgrund seiner intrinsischen Eigenschaften sehr gut für die in der Plasmarandschicht herrschenden Plasmabedingungen eignen. In vorherigen Versuchen die Plasmarandschicht mit einem Tree-Code zu simulieren, traten allerdings bislang ungeklärte Widersprüche sowohl zu PIC-Simulationen als auch zu analytischen Ergebnissen auf.In der vorliegenden Arbeit wird der massiv parallelisierte Barnes-Hut Tree-Code PEPC ver- wendet, um ein Simulationsmodell der Plasmarandschicht zu entwickeln und zu bewerten. Die erwähnten Widersprüche konnten dabei vollständig aufgeklärt und ausgeräumt werden. Eine artifiziell erhöhte Stößigkeit und eine numerische Aufheizung der Elektronen konnten als Auslöser besagter Widersprüche identifiziert werden. Diese Effekte wurden erstmals in einem dreidimensionalen Simulationsplasma in Abhängigkeit von der Temperatur und der Dichte des Plasmas, sowie von mehreren numerischen Inputparametern in einem großen Wertebereich quantifiziert und parametrisiert. Damit konnte die Elektronen- und die Ionenkinetik in der Plasma-Wand-Kontaktzone vollständig und ab initio selbstkonsistent aufgeklärt werden.Mithilfe dieser Parametrisierung und dem hier erbrachten Beweis, dass der Barnes-Hut Tree- Code für die Simulation der einfachen Plasmarandschicht geeignet ist, wurde ein Leitfaden entwickelt, der es ermöglicht abzuschätzen, wann die entwickelte Methode für ein gegebenes Randschichtproblem anwendbar ist. Dieser Leitfaden basiert einerseits auf Einschränkun- gen an die Inputparameter, die nötig sind, damit die Methode korrekte Ergebnisse liefert und andererseits auf Überlegungen, die die Laufzeit der Simulationen betreffen. Anhand ei- niger ausgewählter Beispiele wird die Anwendung des entwickelten Leitfadens anschließend demonstriert.

Einrichtungen

• German Research School for Simulation Sciences GmbH [056500]
• Lehrstuhl für Experimentalphysik III B [133510]
• Lehr- und Forschungsgebiet Theoretische Physik (kondensierte Materie) [135220]
• Fachgruppe Physik [130000]