Abstract English

Turbulence in the Edge of Magnetized Plasmas:
Emergent Structures and Transport

What have the probability for fine weather in summer and the possibility for a future use of nuclear fusion as a practically unlimited and clean energy source got in common? The answer is in the particular nature underlying both physical systems: both the atmosphere and hot magnetized fusion plasmas are determined by the same processes of structure formation in quasi-two-dimensional periodic nonlinear dynamical systems. Self-organization of waves and vortices on small scales in both cases leads to large-scale flows, which are, depending on conditions, either stable for a long time - or can break apart intermittently and expel large vortex structures. In the case of earth's atmosphere, a potential stabilization of the polar jet stream over northern Europe by warming in early summer leads to a high probability for stable hot midsummer weather in central Europe. The efficient utilization of nuclear fusion in a power plant also depends if a stabilization of such zonal flows ("H mode") may be sustained by heating of the plasma. However, instabilities may ruin by rain our summer holidays ("icelandic lows"), as well as lead to tempestuous eruptions ("ELMs") of energy and particles from the edge of a fusion plasma onto the walls of the reactor. In the latter case, this could cause strong erosion of the wall materials and thus an unefficient operation of a future fusion power plant. Plasma physicists are - similar to meteorologists - therefore interested in accurate predictions of these strongly nonlinear dynamical processes. In the START project "TEMP:EST" modern gyrofluid and gyrokinetic models for turbulence and structure formation in magnetized plasmas are developed, are simulated numerically by means of high-performance computing, and are compared to recent experiments. The aim is on a detailed understanding and predictability of the emergence of stable "H mode" flows in fusion plasmas and the accompanying ELM eruptions, in particular with a view on the international fusion experiment ITER under construction in Europe.

Abstract German

Turbulenz in magnetisierten Plasmen: Strukturbildung und Transport

Was hat die Wahrscheinlichkeit für schönes Wetter in den Sommerferien damit zu tun, ob wir eines Tages die Kernfusion als praktisch unbegrenzte und saubere Energiequelle nutzen können? Die Antwort liegt in der besonderen Natur der beiden zugrunde liegenden physikalischen Systeme: sowohl die Atmosphäre als auch magnetisierte heiße Fusionsplasmen werden durch die gleichen Strukturbildungsprozesse in quasi-zweidimensionalen periodischen nichtlinearen dynamischen Systemen bestimmt. Selbstorganisation von Wellen und Wirbeln auf kleinen Skalen führt in beiden Fällen zu großräumigen Strömungen, welche je nach Bedingungen entweder über lange Zeiten stabil sein können - oder aber immer wieder aufbrechen und große Wirbelstrukturen ausstoßen. Im Falle der Erdatmosphäre führt eine eventuelle Stabilisierung des polaren Strahlstroms durch die Erwärmung im Frühsommer über Nordeuropa zu einem mit hoher Wahrscheinlichkeit stabilen heißen Hochsommerwetter in Österreich (Stichwort "Siebenschläfer"). Die effektive Nutzung der Kernfusion in einem Kraftwerk hängt ebenfalls davon ab, ob eine Stabilisierung solcher zonaler Strömungen ("H-Mode") durch Heizung des Plasmas aufrecht erhalten werden kann. Allerdings können uns Instabilitäten sowohl im Juli die Ferien verhageln ("Islandtiefs"), als auch zu stürmischen Ausbrüchen ("ELMs") von Energie und Teilchen aus dem Rand eines Fusionsplasmas auf die Wände des Reaktors führen. Bei Letzterem würde das zu starker Erosion der Wandmaterialien und einem ineffizienten Betrieb eines zukünftigen Fusionskraftwerks führen. Plasmaphysiker sind daher, ebenso wie Meteorologen, an einer möglichst genauen Vorhersage der hochgradig nichtlinearen Dynamik dieser Vorgänge interessiert. Im START-Projekt "TEMP:EST" werden moderne gyrofluide und gyrokinetische Modelle für Turbulenz und Strukturbildung in magnetisierten Plasmen entwickelt, mit Hochleistungsrechnern numerisch simuliert und mit aktuellen Experimenten verglichen. Ziel ist ein genaues Verständnis und die Vorhersage der Entstehung von stabilen "H-Moden"-Strömungen in Fusionsplasmen und den dabei auftretenden ELM-Eruptionen, besonders im Hinblick auf das in Europa im Bau befindliche internationale Fusionsexperiment ITER.