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

Salmagne, Christian; Reiter, Detlev; Kull, Hans-Jörg

doi:35492

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^{FZJ*GRS Aachen*}

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M. Sc. Christian Salmagne

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (IX, 183 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kull, Hans-Jörg (Thesis advisor)^RWTH* ; Reiter, Detlev (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-01-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-069013
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/668621/files/668621.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/668621/files/668621.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
grid free particle simulations (frei) ; nuclear fusion (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

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.

The plasma edge region has a significant influence on the magnetic confinement in fusion plasmas, which in turn determines the efficiency of a possible future fusion reactor. Thus, the processes taking place in this region have to be understood in detail to be able to accurately control the edge region. A numerical way to gain deeper insights into the complex processes within the plasma sheath region is the ab intio kinetic particle simulation. The kinetic description is capable of resolving even the smallest scales of interest in time and space. The Particle-in-Cell scheme is a grid based representative of this class of simulations. It has been used for simulations of the plasma sheath for a considerable time. Within this work, another concept of kinetic particle simulations is used – the Barnes-Hut Tree Code. This method has been successfully used for simulations of laser plasmas as well as for simulations of galaxy formation before. Due to intrinsic properties of this method, it should be well suited for treating typical plasmas in the plasma wall interaction region. However, contradictions to analytical as well as numerical results were found in previous attempts to simulate the edge region with a Tree Code. These contradictions had not been resolved so far. In the present work the massively parallel Barnes-Hut Tree Code PEPC is used to develop and evaluate a numerical model of the plasma wall interaction region. The discrepancies have been understood and completely dispelled. An artificially increased collisionality within the simulation plasma and numerical heating of the electrons were identified as the cause aforementioned contradictions. For the first time, these effects have been measured and parametrized by plasma density, plasma temperature and several numerical input parameters in a wide parameter range. Using the obtained results, the electron and ion kinetics within the plasma sheath region have been self-consistently modeled from first principles as a proof of concept.Given this proof of concept, we developed a guideline that helps to evaluate, if a given plasma edge problem can be tackled with the grid free particle simulation. This guideline is based upon two criteria. First, the aforementioned parametrization of the collision and heating times in a simulation plasma as well as additional stability criteria are used to exclude numerical parameters that lead to incorrect results. Second, considerations regarding the runtime of the massively parallel simulations are used to define a maximum system size and simulation length. Finally, usage of the developed guideline is demonstrated by means of several relevant examples.

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