Kinetic simulation of runaway electrons in tokamaks Fizika, Földtudományok és Matematika

31 OTDK, Fizika, Földtudományok és Matematika Szekció, Plazma- és reaktorfizika Tagozat.

Kinetic simulation of runaway electrons in tokamaks

Hallgató: Csépány Gergely L.
Szak: Fizika, Képzés típusa: msc, Intézmény: Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Kar: Természettudományi Kar

Témavazetők: Dr. Pokol Gergő - egyetemi docens, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Természettudományi Kar ,
Papp Gergely - doktorandusz, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Természettudományi Kar

A fúziós plazmafizika berendezéseinek, a tokamakoknak egy komoly problémája a diszrupció során jelentkező elfutó elektronok előrejelzése és kezelése. Az elfutó elektronok a toroidális elektromos tér hatására relativisztikus sebességre felgyorsuló részecskék, melyek jelentős energiát hordoznak és károsíthatják a vákuumkamra falát. Ezen részecskék árama meghatározó mértékben módosítja az őket keltő elektromos teret. Az elfutó elektronok önkonzisztens modellezésére korábban az ARENA kódot fejlesztették ki, amely jó egyezést mutatott az elméleti modellekkel [1, 2]. A kód fejlesztése mintegy 7 éve abbamaradt, az eredeti változat nem futásidő optimalizált, és hiányoznak belőle a pontos fizikai előrejelzéshez szükséges, azóta felfedezett effektusok.

A munkám első részében ezt a kódot újítottam fel, melynek része volt, hogy az eredeti Fortran 77 nyelvről Fortran 90-re írtam át, valamint a nyelv lehetőségeitől függően gyorsítottam a kódon. A kód átírása során számos, külső könyvtárakból származó lineáris algebra rutint cseréltem ki optimalizált változatokra, bevezettem a Fortran 90 moduljait, valamint a ki- és bemeneti adatokat fizikailag releváns adatstruktúrákba szerveztem. A kód nagymértékű változása és az új numerikus módszerek beépítése miatt alapvető követelmény a kód verifikációja.

A kód verifikációja három fő részből áll: 1) A Monte Carlo magnak külső tér hiánya esetén tartania kell a részecskék Maxwell-eloszlását, 2) az elsődleges elfutó elektronok keletkezési mechanizmusnak és 3) a másodlagos keletkezésnek - a megfelelő határesetben - egyeznie kell az elméleti számításokkal. A verifikációs eredményekre egy példa, hogy a Maxwell-eloszlás megtartását sikerült elérnem az új kóddal: a külső elektromos tér kikapcsolása esetén több, mint 100 elfutó elektron ütközési ideig megtartotta a Monte Carlo mag az elektronok kezdeti eloszlását.

A projekttel részt veszünk az EFDA Integrált Tokamak Modellezési munkacsoportban, melynek célja a jelenleg létező fúziós plazmafizikai kódok egyesítése. Ehhez rendelkezésre áll a Kepler nevű munkafolyamat-szervező keretprogram, amely képes a megfelelően felkészített kódok közötti kommunikációt és adatmozgatást kezelni, így igen összetett problémák szimulációja is megoldható.

Irodalom:
[1] L.-G. Eriksson and P. Helander, "Simulation of runaway electrons during tokamak disruptions," Computer Physics Communications, vol. 154, no. 3, pp. 175-196, Aug. 2003.
[2] L.-G. Eriksson, P. Helander, F. Andersson, D. Anderson, and M. Lisak, "Current Dynamics during Disruptions in Large Tokamaks," Physical Review Letters, vol.92, no.20, pp.1-4, May.2004.