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Alberto Loarte European Fusion Development Agreement

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Presentación del tema: "Alberto Loarte European Fusion Development Agreement"— Transcripción de la presentación:

1 Introducción a la Física de la Interacción Plasma-Pared en Dispositivos de Fusión Nuclear
Alberto Loarte European Fusion Development Agreement Close Support Unit - Garching Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

2 Conceptos básicos de interacción plasma-pared
Esquema del Curso 1. Introducción Conceptos básicos de interacción plasma-pared 2. Física del Plasma en Contacto con Materiales Formación del sheath y consecuencias para el plasma de la SOL (Scrape-off Layer) 3. Transporte de Partículas y Energía en la SOL Modelo 1-D de la SOL. Transporte anómalo y anchura de la SOL. Consecuencias para un reactor de fusión Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

3 Tema 1 : Introducción (I)
El campo magnético provee el aislamiento térmico del plasma  disminuye los flujos de energía/partículas que el plasma pierde pero no Sin Con Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

4 Tema 1 : Introducción (II)
Procesos difusivos  Ley de Fick: D coeficiente de difusión, l camino libre medio entre colisiones, t tiempo medio entre colisiones Te = 100 eV, ne = 1019 m-3, Bt = 3 T Electrones : rL = 10 mm lII = 14 m v = m/s D : rL = 0.5 mm lII = 14 m v = m/s Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

5 Tema 1 : Introducción (III)
Plasma en contacto con sólidos  formación del sheath Flujos estacionarios de plasma a sólido Ge = Gi Establecimiento del Sheath - Flujos al contacto entre plasma y sólido : Ge = ne ve & Gi = ni vi Ge/Gi = ve/vi = (mi/me)1/2 ~ 60 Plasma ne = ni Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

6 Tema 1 : Introducción (IV)
Plasmas en campos magnéticos y en contacto con sólidos Sheath + Scrape-off Layer l a  l/a << 1 (típicamente < 10-2) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

7 Tema 1 : Introducción (V)
La existencia de Sheath y SOL permite controlar la interacción entre plasmas confinados magnéticamente y la cámara de vacío Limitador  Material en contacto directo con plasma confinado Divertor  Campos magnéticos separan Material y plasma confinado Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

8 Tema 1 : Introducción (VI)
Campos magnéticos en el borde de plasmas tokamaks Limitador :Bf provisto por bobinas externas & Bq = m0Ip/(2pa) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

9 Tema 1 : Introducción (VII)
Campos magnéticos en el borde de plasmas tokamaks Divertor :Bf provisto por bobinas externas & Bq = Bqplasma + Bqdiv Punto X  Bq = 0 Bq plasma = m0Ip/(2pa) || Bq div = m0Id/(2pd) a d Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

10 Tema 1 : Introducción (VIIb)
Configuraciones con divertor reales. Ejemplo tokamak JET Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

11 Tema 1 : Introducción (VIII)
Implicaciones prácticas del control de interacción plasma-pared : Limitadores y Placas Divertoras Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

12 Tema 1 : Introducción (VIIIb)
Interacción del plasma con limitadores y placas divertoras Ejemplo : Plasma del tokamak JET Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

13 Tema 1 : Introducción (IX)
Procesos físicos en materiales en contacto con plasmas Backscattering de iones Backscattering de electrones y emisión de electrones secundarios Reemisión de moléculas Sputtering físico Sputtering químico Reciclado : Neutralización del plasma de hidrógeno en el sólido y reemisión en forma de especies neutras Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

14 Tema 1 : Introducción (X)
Backscattering de iones E1 E’1 aumenta para m2 >> m1 E’ E’2 Eion (H) = 13.6 eV & Eion (C) = eV Eion (W) = 7.8 eV D+ es mayoritariamente reemitido como átomo neutro y no como ion Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

15 Tema 1 : Introducción (XI)
Backscattering de iones y emisión de moléculas (1-RN ) D+ se frenan en el material  vuelven a la superficie  se reemiten como D2 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

16 Tema 1 : Introducción (XIb)
Re-emisión de D como D0 o D2 depende de la temperatura de la superficie (C) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

17 Tema 1 : Introducción (XII)
Backscattering de electrones y electrones secundarios Electrones son emitidos bajo impactos de iones, electrones,... El principal proceso Te < 100 eV es emisión de electrones secundarios  Ee ~ eV (similar a la función de trabajo f) La emisión de electrones reduce la diferencia inicial entre Ge y Gi y afecta (reduce) el campo eléctrico del sheath Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

18 Tema 1 : Introducción (XIII)
Sputtering Físico Cuando E’2 ~ Eligadurasólido  un átomo del material puede ser eyectado… E1 E’ E’2 La proporción de átomos del material emitido por ión incidente (Ysputt) es mayor para elementos ligeros (m2 ~ mD) y tiene un límite inferior de energía (si E’2 < Eligadura) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

19 Tema 1 : Introducción (XIV)
Sputtering Físico : Ysputt + Distribución de Thompson A alto E1  D+ se implanta Esputatom ~ 10 eV Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

20 Tema 1 : Introducción (XV)
Sputtering Químico El elemento sólido y el ión forman compuestos químicos volátiles Proceso químico  no hay límite inferior de E1 Proceso químico  depende de Tsólido C + (4) D+  CD4 No ocurre con materiales metálicos Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

21 Tema 1 : Introducción (XVI)
Impurezas y Contaminación del Plasma Átomos erosionados  Plasma  ionización y radiación a) Ionización e + AZ  e + e + A*Z+  e + e + AZ+ + hn b) Recombinación e + AZ+  AZ  AZ + hn c) Excitación  Radiación e + AZ  A*Z  AZ + hn d) Bremmsstrahlung e (E1) + AZ+  AZ+ + e (E2) + hn E1 = E2+ hn PCore Radiation Impurezas Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

22 Tema 1 : Introducción (XVII)
Emisión de radiación por impurezas Emisión de radiación por transiciones entre niveles cuánticos dominante Impurezas de alta Z pueden radiar más a alta Te (ionización incompleta) Alto nivel de PCoreRadiation disminuye Tplasma  Reaccion de Fusión disminuye Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

23 Tema 1 : Introducción (XVIII)
Consecuencias de la contaminación por impurezas Las impurezas disminuyen reactividad del plasma por : Contaminación del Plasma D + T  He4 + n Ea (3.5 MeV) = ¼ En(14.1 MeV) = 1/5 Efusión (17.6 MeV) Pfusión = 5 Pa ~ nD nT <sv>DT ~ (nDT TDT)2 Impureza de número atómico Z ne = Z nZ + 2 nDT < ne,lim Pfusión < ¼ (ne,lim – ZnZ)2 TDT2 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

24 Tema 1 : Introducción (XVIIIb)
Radiación y enfriamiento del plasma Pfusión < ¼ (ne,lim – ZnZ)2 TDT2 Pfusión > PCoreRadiation + Pcond.+conv PCoreRadiation = Pline + Pbrems Pline & Pbrems aumentan con nZ & Z Contaminación y radiación limitan la densidad máxima de impurezas en un plasma para producción de energía de fusión nZ < nZmax Baja Z  nZmax pero (mD~ mZ)  YZ Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

25 Tema 1 : Introducción (XIX)
Contaminación por Helio He es el producto de la fusión y provee la energía para mantener la reacción En estado estacionario de ignición Pa ~ nDT2 <sv>DT ~ (nDT Tplasma)2 = Ploss = Pradiation + Eplasma/tE (convección/conducción) ne = 2nDT + 2 nHe , fa = nHe/ne  nDT = ne (1/2-fa) Eplasma = 3/2 nT V ~ (ne + 2nDT+ nHe) T ~ ne (2 –fa)T Pradiation (He) ~ Pbremsstrahlung ~ ne2 (1+2fa) T1/2 C1 ne2(1/2-fa)2 T2 = C2 ne2 (1+2fa) T1/2 + C3 ne (2 –fa)T /tE ne T tE (C1 (1/2-fa)2 - C2 (1+2fa) T-3/2) = C3 (2 –fa) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

26 Tema 1 : Introducción (XIXb)
Bajo fa  ignición a más bajo neTetE Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

27 Tema 1 : Introducción (XX)
Bombeado de Helio  obtener fa lo más bajo posible nHe/nD0 en la bomba de vacío He & D0 Bomba de vacío Control de interacción plasma-pared  maximizado de bombeado de He  disminución de fa Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

28 Tema 1 : Introducción (XXI)
Concentracion de la interacción plasma pared  Problemas + formación de sheath permite concentrar la interaccción entre plasma y cámara de vacío (+ Bq control) Grandes flujos de partículas y energía sobre las zonas afectadas  Erosión + Sobrecalentamiento Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

29 Tema 1 : Introducción (XXII)
Control de la erosión de los elementos materiales En un reactor Gmaterial~1024 m-2s-1 + Yc ~ 1%  GC ~ 1022 m-2s-1 (g/at) 0.2 gm-2s-1  (2g/cm-3)  0.1 mm s-1  3.15 m/año Redeposición de material erosionado ~ 90% Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

30 Tema 1 : Introducción (XXIII)
Geometría del divertor maximiza ionización en periferia SOL Plasma confinado nZ = nZsuperficie e-x/l = vZ/(n <sv>ion) para n y T iguales nZdiv < nZlim xdiv > xlim Plasmas confinados más limpios con divertores Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

31 Tema 1 : Introducción (XXIIIb)
Geometría del divertor maximiza redeposición ITER divertor Redeposición 90% !!! R R (m) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

32 Tema 1 : Introducción (XXIV)
Control del flujo de energía sobre los elementos materiales Reactor Pout~ Pwall > 100 MW Awall ~ 1000 m2 Concentración de interacción plasma-pared  Awalleff ~ 3 m2 qwall ~ 30 MW/m2 Limite tecnológico (qwallmax-tech ~ 10 MW/m2)  Pwall < 30 MW Para Pwall más altas destrucción de los materiales (sólido  líquido o gas) Necesaria disminución de Pwall por Prad en periferia Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

33 Tema 1 : Introducción (XXIVb)
Aumento de radiación periférica en plasmas con divertores Divertor  ionización periferica  radiación periférica  Pwall La radiación debe proceder de zonas donde el plasma no produce fusión (T << 10 keV) nzcore  Pradcore  Pfus nzedge  Pradedge  Pwall Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –

34 me << mi  ve >> vi &
Conclusiones La interacción plasma-pared en dispositivos de fusión nuclear involucra física de plasmas, estado sólido y física atómica  Procesos complejos no-lineales Los ingredientes físicos que determina la interacción de un plasma en un campo magnético con un sólido son : me << mi  ve >> vi & La comprensión de los procesos que controlan la interacción plasma- pared son fundamentales para el desarrollo de la fusión nuclear como fuente de energía : Plasmas de alta T con baja concentración de impurezas Baja erosión de los elementos que protegen la cámara de vacío Integridad física de los elementos de protectores (control de deposición de energía) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid –


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