Begünstigungen eines Stellarators im Eingrenzen von Transport
Stellaratoren besitzen mit einer 40-50°-en Anpassungsfreiheit des Magnetfelds eine um Größenordnungen höhere Mobilität gegenüber Tokamaks.
Da die magnetische Krümmung in einem Stellarator ungleichmäßig über die Plasmafläche verteilt ist, lokalisiert sich die Turbulenz auf äußere, dünne Streifen. Dieses Phänomen tritt in Tokamaks nicht auf. Wo der dass Tokamak das Gyro-Bohm Scaling von Transport ziemlich akkurat verfolgt, weicht der Stellarator von diesem ab. Die ungerade Distribution von Magnetfeldkrümmung verursacht Turbulenz, indem ein Parameter , die Varianz der Krümmung der Oberfläche senkrecht zum Magnetfeld, eingeführt wird, wodurch im GB-Scaling wichtig wird. Da in tokamaks ungefähr die Hälfte des poloidalen Umfangs ist, verteilen sich Fluktuationen in Tokamaks auf der gesamten Plasmaaußenseite. Die folgende Grafik stellt Fluktuationen im elektrostatischen Potenzial eines Tokamaks (links) der eines Stellarators (rechts) entgegen. Der diskutierte Sachverhalt ist deutlich erkennbar.
Eine GENE-Simulation der Wendelstein 7-X Flussflächen. Turbulenz wird mit Farben dargestellt.
Abschätzen des anomalen Transports in Stellaratoren
Im LHD-Stellarator kann der turbulente Transport durch die Verkleinerung der Spulenspannung verringert werden, da dies ebenfalls eine Verkleinerung der Plasmaoberfläche die radial nach innen gedrückt wird (kompakter) zur Folge hat. Hingegen Tokamaks, in denen es ausreicht einen linearen “Flusstuben”[^1] Querschnitt zu berechnen um die Turbulenz im Plasma abschätzen zu können, ist in Stellaratormaschinen eine Simulation der gesamten Flussfläche für akkurate Erfassung von Teilchentransport gefragt da sich die dortigen Flusstuben auf einer Magnetoberfläche geometrisch nicht gleichen. Der Transport kann dennoch nicht verlässlich erfasst werden, da die Turbulenzstärken der verschiedenen Flusstuben untereinander variieren.
GENE Simulations und Erfassungsmöglichkeiten von Transport
Die Flussflächen-Version des GENE-Code kann Turbulenzen entlang der gesamten Flussfläche berechnen. Durch Gene Simulation wird gezeigt, dass die stärksten Turbulenzfluktuationen entlang eines dünner Streifen am Plasmarand am stärksten auftreten. Ein, auf Radien basierter Faktor, der sich unmittelbar auf die Größenordnung des Transportes im Plasma auswirkt ist ist der Gyroradius (Radius der Spiralbewegung der Ionen) ist der Radius der Maschine
Relativ zu der Differenz zwischen dem Gyroradius der Ionen und dem inneren Radius des Stellarators verändert sich das Transport-Scaling. Dieser Schlussfolgerung nach würde ein stärkeres Magnetfeld theoretisch zu verringertem Energieverlust durch Transport führen.
Der MPX-Stellarator und seine W7-X Optimierungen
Ein optimiertes Design der Wendelstein 7-X Plasmaeinschlusseigenschaften, “MPX”, wurde mithilfe des STELLOPT Codes entwickelt. Durch das Minimieren der Kostenfunktion (Plasma Physics Dictionary) wurde die ITG-Modenintensität (i.e. das Ausmaß der Ion-temperature-gradient verantwortlichen Turbulenz) verringert → ITG-Transport wird durch, entweder eine Verringerung der ungewünschten Krümmung, oder durch Vergrößerung der Abstände zwischen Zonen mit starker Krümmung unterdrückt. Das STELLOPT Optimierungsmodell erwies in der Fälle niedrigere Werte der Kostenfunktion als Wendelstein 7-X und besitzt ein niedrigeres ITG Transport-Scaling als letzterer. Zudem kann der Ionentemperaturgradient durch modifiziertes strecken (Elongation) der Plasmaflächen reduziert werden → Die Verringerung der Elongation der Plasmafläche verschärft ungewollte Krümmungen, zieht Bereiche mit diesen aber stark unterschiedliche Flussflächen auseinander → Verringert den Temperaturgradient
[^1]: Ein dünner, linearer Querschnitt entlang der toirodalen der Plasmaflussfläche (Entlang des Torus)