Influence of electron dynamics and electromagnetic effects on zonal flow pattern formation and the interplay with microturbulence in fusion plasmas

Titelangaben

Rath, Florian:
Influence of electron dynamics and electromagnetic effects on zonal flow pattern formation and the interplay with microturbulence in fusion plasmas.
2025 . - XIV,188,XXVIII S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

Volltext

	Format: PDF Name: Thesis.pdf Version: Veröffentlichte Version Verfügbar mit der Lizenz Deutsches Urheberrechtsgesetz. Das Dokument darf zum eigenen Gebrauch kostenfrei genutzt werden. Darüber hinaus bedürfen die Vervielfältigung, Bearbeitung, Verbreitung und jede Art der Verwertung der schriftlichen Zustimmung des jeweiligen Rechteinhabers.
	Download (8MB)

Abstract

The realization of the thermonuclear fusion requires a sufficiently good confinement of a hot fusion plasma. The tokamak concept, studied in this thesis, uses magnetic fields to achieve confinement. Turbulent losses of particles and energy, partially caused by turbulence on spatial scales comparable to the ion Larmor radius \textemdash so-called microturbulence \textemdash, constitute one of the main limitations of confinement. Future fusion experiments on reactor relevant scales are predicted to operate close to marginal stability of microturbulence, \textemdash a regime that is often accompanied by zonal flow structure formation. Here, zonal flows refer to a form of radially sheared plasma rotation that does not contribute to turbulent losses. On the contrary, they have a positive influence on confinement through their ability to suppress microturbulence. The interplay of zonal flow structure formation and microturbulence is therefore assumed to be relevant for future fusion reactors. In this thesis the interplay of microturbulence and zonal flow pattern formation is investigated by means of gyrokinetic simulations performed with the Eulerian gyrokinetic code GKW. In the gyrokinetic framework the Maxwell-Vlasov system is solved, exploiting the time scale separation between the fast gyro-motion and the relatively slow turbulent dynamics. Gyrokinetic simulations represent the state of the art numerical description of fusion plasmas. This thesis focuses on the influence of electron dynamics and electromagnetic effects on zonal flow pattern formation, both extensions of the existing literature about zonal flow structure formation. Hence, this thesis aims to contribute to a more comprehensive understanding of the interplay of zonal flow structure formation and microturbulence. First, zonal flow pattern formation in electrostatic near marginal turbulence with inclusion of electron dynamics is studied using director field methods. It is shown that the dominant fine scale features in the $\exb$ shearing rate, structures that are driven by the so-called self-interaction mechanism, do hardly contribute to the zonal flow shear induced tilt of turbulent structures. Instead, zonal flow pattern formation on mesoscales, also known as the $\exb$ staircase pattern, is diagnosed by demonstrating its role for shear deformation of turbulent structures. Furthermore, the modifications of staircase patterns by electron dynamics are discussed. Second, electromagnetic microturbulence is investigated with the focus on high $\beta$ turbulence runaways, i.~e., the lack of turbulence saturation above a critical $\betac$. Temporally persistent mesoscale zonal flow patterns, developing on long time scales, are shown to mitigate high $\beta$ turbulence runaways. These patterns, therefore, allow for the access of an improved $\beta$-regime, i. e., $\beta > \betac$. Various aspects of those mesoscale zonal flow dominated improved states are investigated such as (i) the stability constraints with respect to the mesoscale zonal flow level for the triggering of turbulence runaways, (ii) the influence of mesoscale zonal flows on magnetic stochasticity, and (iii) the transfer processes connected to the drive and damping of mesoscale zonal flows. Third, the self-interaction mechanism, i.~e., the nonlinear interaction of a parallel to the magnetic field strongly elongated mode with itself, is studied by means of nonlinear energy transfer methods. The self-interaction mechanism is a phenomenon that occurs especially in descriptions including electron dynamics. It is known to be responsible for the generation of fine scale features in the $\exb$ shearing rate. In this thesis this mechanism is shown to have only a small (of the order of a few percent) direct influence on the processes governing nonlinear saturation of ion temperature gradient driven microturbulence for plasma core parameters. Furthermore, the contribution of self-interaction driven zonal fine scale structures to the zonal flow mediated nonlinear transfer is also small (of the order of a few percent), corroborating the outcome of the director field analysis. Fourth, the influence of modified (by electron dynamics) staircase states on the stability properties close to marginality is investigated. Various unstable Eigenmodes are identified that are absent in the primary instability spectrum, i.~e., without the presence of modified staircase states. These Eigenmodes localize to disparate scales connected to the modified staircase structures and require a finite electron background temperature gradient drive. Hence, electron dynamics and electron temperature gradient drive both modify the stability properties close to marginality. Their consideration may be required for a proper description of near marginal microturbulence.

Abstract in weiterer Sprache

Die Realisierung der thermonuklearen Fusion erfordert einen ausreichend guten Einschluss eines heißen Fusionsplasmas. Das Tokamak Konzept, welches Gegenstand dieser Arbeit ist, nutzt Magnetfelder, um das Plasma einzuschließen. Turbulente Verluste von Teilchen und Energie, zum Teil verursacht durch Turbulenz auf räumlichen Skalen vergleichbar mit dem Larmor Radius \textemdash sogenannte Mikroturbulenz \textemdash, stellt eine der Haupteinschränkungen des Plasmaeinschlusses dar. Zukünftige Fusionsexperimente auf reaktorrelevanten Größenskalen werden voraussichtlich nahe marginaler Stabilität von Mikroturbulenz operieren, \textemdash ein Regime, das oft von Strukturbildung zonaler $\exb$ Strömungen (zonal flows) geprägt ist. Dabei bezeichnen zonale $\exb$ Strömungen eine bestimmte Form von radial verscherter Plasmarotation, welche nicht zu den turbulenten Verlusten beiträgt. Ganz im Gegenteil, durch ihre Fähigkeit Mikroturbulenz zu unterdrücken, wirken sich zonale $\exb$ Strömungen positiv auf den Plasmaeinschluss aus. Das Zusammenspiel von Strukturbildung zonaler $\exb$ Strömungen und Mitroturbulenz birgt daher eine Relevanz für zukünftige Fusionsreaktoren. Diese Arbeit untersucht das Zusammenspiel von Strukturbildung zonaler $\exb$ Strömungen und Mitroturbulenz anhand von gyrokinetischen Simulationen, die mit dem Euler'schen gyrokinetischen code GKW durchgeführt werden. Der gyrokinetsiche Ansatz löst das Maxwell-Vlasov System unter Ausnutzen der Zeitskalentrennung der schnellen Gyrationsbewegung und der relativ dazu langsamen turbulenten Dynamik. Gyrokinetische Simulationen stellen den state-of-the-art Ansatz zur numerischen Beschreibung von Fusionsplasmen dar. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf dem Einfluss von Elektronendynamik und elektromagnetischen Effekten auf Strukturbildung zonaler $\exb$ Strömungen, beides Erweiterungen der dazu existierenden Literatur. Damit trägt diese Arbeit zu einem umfassenderen Verständnis des Zusammenspiels von Strukturbildung zonaler $\exb$ Strömungen und Miktroturbulenz bei. Als erstes wird Strukturbildung zonaler $\exb$ Strömungen in elektrostatischer marginaler Turbulenz unter Berücksichtigung von Elektronendynamik und mit Hilfe von Direktorfeldmethoden untersucht. Es wird gezeigt, dass dominante Feinskalenstrukturen in der $\exb$ Scherrate, welche durch die sogenannte Selbstinteraktion getrieben werden, kaum zur durch zonaler $\exb$ Strömungen induzierten Deformation von turbulenten Strukturen beitragen. Stattdessen wird Strukturbildung zonaler $\exb$ Strömungen auf Mesoskalen, auch bekannt als $\exb$ Treppenmuster ($\exb$ staircase pattern), anhand ihrer Rolle für die Scherdeformation von turbulenten Strukturen diagnostiziert. Weiterhin werden die Modifizierungen dieser $\exb$ Treppenstrukturen durch Elektronendynamik diskutiert. Als zweites wird elektromagnetische Miktroturbulenz untersucht. Dabei liegt der Fokus auf sogenannte turbulente Ausreißer im Bereich hoher nomierter Plasmadrücke $\beta$ (high $\beta$ turbulence runwaways), \textemdash eine Form von transienter turbulenter Dynamik oberhalb eines kritischen $\betac$, welche keine Sättigung des Turbulenzlevels aufweist. Es wird gezeigt, dass zeitlich persistente zonale $\exb$ Strömungen auf Mesoskalen, welche sich auf langen Zeitskalen entwickeln, diese turbulenten Ausreißer unterdrücken. Dadurch erlauben diese Strukturen den Zugang zu einem $\beta$-Regime mit verbesserten Einschluss, also einem Regime mit $\beta > \betac$. Verschiedene Aspekte dieser durch zonalen $\exb$ Strömungen dominierten günstigen Zustände werden untersucht, wie zum Beispiel (i) die Stabiltätsbedingungen an das Level der zonalen $\exb$ Strömungen für das Auslösen von turbulenten Ausreißern, (ii) der Einfluss von zonalen $\exb$ Strömungen auf magnetische Stochastizität, und (iii) Transferprozesse verknüpft mit dem Treiben und Dämpfen von zonalen $\exb$ Strömungen. Als drittes wird die Selbstinteraktion, also die nichtlineare Wechselwirkung von parallel zum Magnetfeld stark elongierten Moden mit sich selbst, mit Hilfe von nichtlinearen Energietransfermethoden studiert. Die Selbstinteraktion ist ein Phänomen, das vor allem in Beschreibungen mit Berücksichtigung von Elektronendynamik auftritt. Dabei ist dieser Mechanismus für die Entstehung von Feinskalenstrukturen in der $\exb$ Scherrate verantwortlich. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Selbstinteraktion lediglich einen kleinen (auf Größenordnung einiger weniger Prozent) direkten Einfluss auf die Prozesse hat, welche die nichtlineare Sättigung von ionentemperaturgetriebener Mikroturbulenz bestimmen. Weiterhin wird gezeigt, dass der Beitrag von selbwechselwirkungsgetriebenen Feinskalenstrukturen zum durch zonale $\exb$ Strömungen mediierten nichtlinearen Transfer ebenfalls klein (auf Größenordnung einiger weniger Prozent) ist. Dieses Ergebnis stützt die Aussage der oben aufgeführten Direktorfeldanalyse. Als viertes wird der Einfluss von (durch Elektronendynamik) modifizierten $\exb$ Treppenstrukturen auf die Stabilitätseigenschaften nahe marginaler Stabilität untersucht. Verschiedene instabile Eigenmoden können identifizert werden, welche im primären Instabilitätsspektrum, also in Abwesenheit von modifizerten $\exb$ Treppenstrukturen, nicht vorhanden sind. Diese Eigenmoden sind bezüglich unterschiedlicher Skalen lokalisiert, welche direkt mit der modifzierten $\exb$ Treppenstrukturen verknüpft werden können, und erfordern einen endlichen Elektronentemperaturgradienten. Da sowohl Elektronendynamik als auch endliche Elektronentemperaturgradienten die Stabilitätseigenschaften in der Nähe von marginaler Stabilität beeinflussen, ist eine Berücksichtigung dieser Effekte für eine angemessene Beschreibung von marginaler Mikroturbulenz notwendig.