Laboratory Directed Research and Development FY-10 Annual Report

The FY 2010 Laboratory Directed Research and Development (LDRD) Annual Report is a compendium of the diverse research performed to develop and ensure the INL's technical capabilities can support the future DOE missions and national research priorities. LDRD is essential to the INL -- it provides a means for the laboratory to pursue novel scientific and engineering research in areas that are deemed too basic or risky for programmatic investments. This research enhances technical capabilities at the laboratory, providing scientific and engineering staff with opportunities for skill building and partnership development

Spectral and High Order Methods for Partial Differential Equations ICOSAHOM 2018

This open access book features a selection of high-quality papers from the presentations at the International Conference on Spectral and High-Order Methods 2018, offering an overview of the depth and breadth of the activities within this important research area. The carefully reviewed papers provide a snapshot of the state of the art, while the extensive bibliography helps initiate new research directions

GENE-3D - ein globaler gyrokinetischer Turbulenzcode für Stellaratoren und gestörte Tokamaks

This thesis describes the development and application of GENE-3D, a global gyrokinetic turbulence HPC code for stellarators. The gyrokinetic equations as well as their implementation and the use of field-aligned coordinates in non-axisymmetric geometries are discussed. GENE-3D is benchmarked for validity and performance. Different geometries of Wendelstein 7-X are investigated for their influence on turbulent properties. Also the influence of the machine size on linear growth rates is studied.Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und Anwendung von GENE-3D, ein globaler gyrokinetischer Turbulenzcode für Stellaratoren. Die gyrokinetischen Gleichungen sowie deren Implementierung und das am Feld ausgerichtete Koordinatensystem werden für nicht-axisymmetrische Geometrien vorgestellt. GENE-3D wird auf Korrektheit getestet.Der Einfluß unterschiedlicher Wendelstein 7-X Geometrien auf den turbulenten Transport und der Einfluß der Maschinengröße auf die linearen Anwachsraten wird untersucht

Idaho National Laboratory LDRD Annual Report FY 2012

This report provides a glimpse into our diverse research and development portfolio, wwhich encompasses both advanced nuclear science and technology and underlying technologies. IN keeping with the mission, INL's LDRD program fosters technical capabilities necessary to support current and future DOE-Office of Nuclear Energy research and development needs

Flow and transport in fractured geothermal reservoirs on different scales: Linking experiments and numerical models

Die Erdwärme stellt eine wichtige erneuerbare Energiequelle der Zukunft dar, um den Grundbedarf der Menschen an Wärme und Strom zu decken und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen wie Erdöl und Kohle zu verringern. Die Internationale Energiebehörde schätzt, dass bis zum Jahr 2050 3,5% der weltweiten Energieversorgung durch Geothermie erfolgen können. Die Vorteile der Geothermie liegen dabei in der guten bedarfsabhängigen Regulierbarkeit sowie der uneingeschränkten weltweiten Verfügbarkeit bei gleichzeitig geringem Flächenbedarf. Darüber hinaus ist die Geothermie als eine der wenigen erneuerbaren Energien vollständig grundlastfähig und damit unabhängig von stark wechselnden Umwelteinflüssen, wie Windstärke oder Sonneneinstrahlung. Die größte Herausforderung bei der Geothermie liegt in der Erschließung von Niederenthalpie-Lagerstätten, die in Tiefen von einigen Kilometern liegen. Eine Möglichkeit hierzu stellt die Technologie des Enhanced Geothermal Systems (EGS) dar, die geringdurchlässige Gesteinsschichten eines Reservoirs wirtschaftlich nutzbar macht. Bei EGS werden durch hydraulische Stimulation bestehende natürliche Kluftsysteme erweitert und neue Klüfte geschaffen und so ein effektiver Wärmeaustausch zwischen dem geklüfteten Reservoirgestein und zirkulierenden Fluiden ermöglicht. Bisher gibt es allerdings nur wenige Pilotanlagen, wie z.B. in Soultz-sous-Forêts, Frankreich. Der Nachteil dieser Technologie ist, dass die so entstandenen Klüfte nur einen sehr kleinen Teil des Reservoirvolumens darstellen und sich alle an der Fluidzirkulation beteiligten natürlichen und induzierten Prozesse auf engstem Raum abspielen. Das grundlegende Verständnis der hochlokalisierten physikalischen Prozesse und Wechselwirkungen stellt somit den Schlüsselfaktor für einen erfolgreichen, umweltverträglichen und sicheren Betrieb von EGS dar. Ein besonderes Augenmerk muss auf die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen der Kluft und dem zirkulierenden Fluid sowie dem damit verbundenen Transport von Wärme und gelösten Stoffen gelegt werden. Die Kluftöffnung wird oft vereinfacht als der Abstand zwischen zwei parallelen Platten dargestellt. In Wirklichkeit bestehen die Verbindungen zwischen zwei Bohrungen jedoch aus einem kleinräumigen Netzwerk einzelner Klüfte, die wiederum ein stark veränderliches inneres Porenvolumen aufweisen. Die vorliegende Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis der Entstehung und geometrischen Beschaffenheit von bevorzugten Fluidwegsamkeiten in geklüfteten Reservoiren sowie der damit verbundenen Transportprozesse bei. Das übergeordnete Ziel der einzelnen Studien ist eine Verknüpfung experimenteller Untersuchungen mit numerischen Modellen, um die relevanten, teilweise skalenabhängigen physikalischen Prozesse in Klüften zu identifizieren und quantifizieren. In den ersten beiden Studien (Kapitel 4 und 5) werden eine Vielzahl von stochastisch einzigartigen granitähnlichen Kluftgeometrien erstellt. Anschließend werden numerische Modelle entwickelt, um die präferentiellen Fluidpfade und deren Eigenschaften im Klufhohlraum unter geothermie-typischen Strömungsbedingungen und unter Verwendung der komplexen Navier-Stokes-Gleichungen zu quantifizieren. Das Ziel der ersten Studie ist die Quantifizierung von räumlichen Unterschieden zwischen den dreidimensionalen und den vereinfachten zweidimensionalen Kluftmodellen. Ein Vergleich zwischen äquivalenten Modellierungen mittels der Navier-Stokes-Gleichungen und dem lokalen kubischen Gesetz erlaubt eine Vorhersage über die Gültigkeit dieser Vereinfachungen. In Abhängigkeit von Fließund Scherrichtung sowie dem angelegten Druckgradienten bilden sich in allen Klüften Kanäle aus, die einen großen Teil des Volumenstroms umfassen, während im Rest der Kluft nur geringe Anteile an Fluidbewegung zu beobachten sind. Innerhalb dieser Kanäle zeigen beide Fließgesetze eine gute Übereinstimmung sowohl für rein laminare als auch turbulente Strömungen (mit Reynolds-Zahlen deutlich über 1). Außerhalb von Kanälen ergibt sich unabhängig vom Fließregime für die zweidimensionale Vereinfachung eine deutliche Überschätzung des zu erwartenden Volumenstroms. In der zweiten Studie werden die einzelnen Kanäle innerhalb der dreidimensionalen Kluft hinsichtlich ihrer Geometrie sowie Transporteigenschaften quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen eine starke Anisotropie hinsichtlich der Fließ- und Scherrichtung. Obwohl eine senkrechte Ausrichtung von Strömung und Scherung zu einem deutlich verbesserten Durchfluss führt, haben die gut ausgebildeten und geraden Kanäle nur eine begrenzte Kontaktfläche mit dem umgebenden Gestein und behindern somit einen effizienten Wärmeaustausch. Anders ist dies bei einer parallelen Ausrichtung von Scherung und Strömung. In diesem Fall sind die Kanäle deutlich weniger ausgeprägt und haben zudem einen stark verlängerten absoluten Fließweg und damit verbundene höhere Kontaktfläche. Die dritte Studie (Kapitel 6) umfasst die Verknüpfung von Triaxialexperimenten, durchgeführt an zwei Sandsteinenderivaten mit steigenden Temperaturund Druckbedingungen, mit numerischen Modellen. Ziel ist eine Vorhersage der hydraulischen und mechanischen Gesteinseigenschaften eines potentiellen Reservoirgesteins. Die Ergebnisse zeigen eine poroelastische Kompaktion des Gesteins sowie anschließende nichtlineare Deformation, welche beide mit numerischen Modellen vorhergesagt werden können. Das Drucker-Prager-Kriterium ermöglicht die Bewertung der kritischen Scherspannung unter Berücksichtigung der drei Hauptspannungen. Die Studie zeigt, dass kleinstskalige Veränderungen, wie die mineralogische Zusammensetzung, zwar die Materialeigenschaften des Gesteins beeinflussen, numerische und analytische Modelle dessen Verhalten dennoch beschreiben können. In der vierten und fünften Studie (Kapitel 7 und 8) werden die kleinskalig gewonnen Erkenntnisse sowie weiterführende Felduntersuchungen dazu genutzt, um ein Modell des großräumigen Strömungsregimes im geklüfteten Reservoir von Soultz-sous-Forêts zu entwickeln. In der vierten Studie wird ein Strukturmodell des Soultz-Reservoirs entwickelt und das Strömungsregime entlang von Klüften zwischen den einzelnen Bohrungen mittels numerischer Modelle bestimmt. Durch die Verknüpfung mit den experimentellen Daten mehrerer Zirkulations- sowie Tracerversuche kann das Strömungsregime in bohrlochfernen Bereichen des Reservoirs quantifiziert werden. Darüber hinaus kann eine geologische Struktur identifiziert werden, die die Bohrungen GPK3 und GPK4 zwar hydraulisch separiert, allerdings störungsparallel eine Anbindung an das Fließregime des Oberrheingrabens herstellt. In der fünften Studie wird auf Grundlage des zuvor entwickelten hydraulischen Modells die Sensitivität der Produktionstemperatur hinsichtlich verschiedener operativer Rahmenbedingungen (Injektionstemperatur und Fließraten) untersucht

International Conference on Continuous Optimization (ICCOPT) 2019 Conference Book

The Sixth International Conference on Continuous Optimization took place on the campus of the Technical University of Berlin, August 3-8, 2019. The ICCOPT is a flagship conference of the Mathematical Optimization Society (MOS), organized every three years. ICCOPT 2019 was hosted by the Weierstrass Institute for Applied Analysis and Stochastics (WIAS) Berlin. It included a Summer School and a Conference with a series of plenary and semi-plenary talks, organized and contributed sessions, and poster sessions. This book comprises the full conference program. It contains, in particular, the scientific program in survey style as well as with all details, and information on the social program, the venue, special meetings, and more

Gyrokinetic simulation of multimode plasma turbulence

Durch Mikroturbulenz verursachter Wärme- und Teilchentransport in magnetisch eingeschlossenen Hochtemperaturplasmen ist eines der drängendsten Probleme der Fusionsforschung.In dieser Arbeit werden die gyrokinetischen Gleichungen, die magnetisierte Plasmen bei fusionsrelevanten Parametern beschreiben, für allgemeine magnetische Geometrien unter Berücksichtigung von Stößen präsentiert, weiterhin werden Aspekte der numerischen Implementierung in den massiv parallelen Plasmaturbulenz-Code GENE diskutiert. Nichthermitescher Entartungen in lineare Modenübergängen werden mit Hilfe eines Eigenwertlösers untersucht. Statistische Untersuchungen der ExB-Nichtlinearität im Fall reiner Trapped Electron Mode (TEM) Turbulenz zeigen, dass diese durch einen Diffusionsterm approximiert werden kann, was ein schon bekanntes quasilineares Transportmodell stützt. Es werden Übergänge zwischen TEM- und Ion Temperature Gradient (ITG) Turbulenz untersucht, eine Koexistenz führt zu interessanten Effekten beim Teilchentransport. Abschließend werden verschiedene Aspekte der ITG-Turbulenz im Stellarator W7-X mit adiabatischen und kinetischen Elektronen diskutiert