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Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 1 Introducción a la Física de la Interacción Plasma-Pared.

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

2 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – 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

3 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – 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

4 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (II) Procesos difusivos Ley de Fick: T e = 100 eV, n e = m -3, B t = 3 T Electrones L = 10 m II = 14 m v = m/s D + L = 0.5 mm II = 14 m v = m/s D coeficiente de difusión, camino libre medio entre colisiones, tiempo medio entre colisiones

5 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (III) Plasma en contacto con sólidos formación del sheath Flujos al contacto entre plasma y sólido : e = n e v e & i = n i v i e / i = v e /v i = (m i /m e ) 1/2 ~ 60 Plasma n e = n i Flujos estacionarios de plasma a sólido e = i Establecimiento del Sheath - + -

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

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

8 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (VI) Campos magnéticos en el borde de plasmas tokamaks Limitador :B provisto por bobinas externas & B 0 p 2 a)

9 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (VII) Campos magnéticos en el borde de plasmas tokamaks Divertor :B provisto por bobinas externas & B B plasma B div Punto X B B plasma 0 p 2 a) || B div 0 d 2 d) ad

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

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

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

13 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – 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

14 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (X) Backscattering de iones E ion (H) = 13.6 eV & E ion (C) = 11.2 eV E ion (W) = 7.8 eV E1E1 E 1 E 2 E 1 aumenta para m 2 >> m 1 D + es mayoritariamente reemitido como átomo neutro y no como ion

15 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (XI) Backscattering de iones y emisión de moléculas (1-R N ) D + se frenan en el material vuelven a la superficie se reemiten como D 2

16 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (XIb) Re-emisión de D como D 0 o D 2 depende de la temperatura de la superficie (C)

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

18 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (XIII) Sputtering Físico Cuando E 2 ~ E ligadura sólido un átomo del material puede ser eyectado … La proporción de átomos del material emitido por ión incidente (Y sputt ) es mayor para elementos ligeros (m 2 ~ m D ) y tiene un límite inferior de energía (si E 2 < E ligadura ) E1E1 E 1 E 2

19 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (XIV) Sputtering Físico : Y sputt + Distribución de Thompson A alto E 1 D + se implanta E sput atom ~ 10 eV

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

21 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (XVI) Impurezas y Contaminación del Plasma Átomos erosionados Plasma ionización y radiación a ) Ionización e + A Z e + e + A* Z+ e + e + A Z+ + h b) Recombinación e + A Z+ A Z A Z + h c) Excitación Radiación e + A Z A* Z A Z + h d) Bremmsstrahlung e (E 1 ) + A Z+ A Z+ + e (E 2 ) + h E 1 = E 2 + h P Core Radiation Impurezas

22 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – 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 T e (ionización incompleta) Alto nivel de P Core Radiation disminuye T plasma Reaccion de Fusión disminuye

23 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (XVIII) Consecuencias de la contaminación por impurezas Las impurezas disminuyen reactividad del plasma por : Contaminación del Plasma D + T He 4 + n E (3.5 MeV) = ¼ E n (14.1 MeV) = 1/5 E fusión (17.6 MeV) P fusión = 5 P ~ n D n T DT ~ (n DT T DT ) 2 Impureza de número atómico Z n e = Z n Z + 2 n DT < n e,lim P fusión < ¼ (n e,lim – Zn Z ) 2 T DT 2

24 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (XVIIIb) Radiación y enfriamiento del plasma P fusión < ¼ (n e,lim – Zn Z ) 2 T DT 2 P fusión > P Core Radiation + P cond.+conv P Core Radiation = P line + P brems P line & P brems aumentan con n Z & Z Baja Z n Z max pero (m D ~ m Z ) Y Z Contaminación y radiación limitan la densidad máxima de impurezas en un plasma para producción de energía de fusión n Z < n Z max

25 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (XIX) Contaminación por Helio En estado estacionario de ignición P ~ n DT 2 DT ~ (n DT T plasma ) 2 = P loss = P radiation + E plasma / E (convección/conducción) n e = 2n DT + 2 n He, f = n He /n e n DT = n e (1/2-f ) E plasma = 3/2 nT V ~ (n e + 2n DT + n He ) T ~ n e (2 –f )T P radiation (He) ~ P bremsstrahlung ~ n e 2 (1+2f ) T 1/2 C 1 n e 2 (1/2-f ) 2 T 2 = C 2 n e 2 (1+2f a ) T 1/2 + C 3 n e (2 –f )T / E n e T E (C 1 (1/2-f ) 2 - C 2 (1+2f a ) T -3/2 ) = C 3 (2 –f ) He es el producto de la fusión y provee la energía para mantener la reacción

26 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (XIXb) Bajo f ignición a más bajo n e T e E

27 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (XX) Bombeado de Helio obtener f lo más bajo posible Control de interacción plasma-pared maximizado de bombeado de He disminución de f n He /n D 0 en la bomba de vacío Bomba de vacío He & D 0

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

29 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (XXII) Control de la erosión de los elementos materiales En un reactor material ~10 24 m -2 s -1 + Y c ~ 1% C ~ m -2 s -1 (g/at) 0.2 gm -2 s -1 (2g/cm -3 ) 0.1 m s m/año Redeposición de material erosionado ~ 90%

30 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (XXIII) Geometría del divertor maximiza ionización en periferia n Z = n Z superficie e -x/ = v Z /(n ion ) para n y T iguales n Z div < n Z lim x div > x lim SOL Plasma confinado Plasmas confinados más limpios con divertores

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

32 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (XXIV) Control del flujo de energía sobre los elementos materiales R eactor P out ~ P wall > 100 MW A wall ~ 1000 m 2 Concentración de interacción plasma- pared A wall eff ~ 3 m 2 q wall ~ 30 MW/m 2 Limite tecnológico (q wall max-tech ~ 10 MW/m 2 ) P wall < 30 MW Para P wall más altas destrucción de los materiales (sólido líquido o gas) Necesaria disminución de P wall por P rad en periferia

33 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Tema 1 : Introducción (XXIVb) Aumento de radiación periférica en plasmas con divertores Divertor ionización periferica radiación periférica P wall n z core P rad core P fus n z edge P rad edge P wall La radiación debe proceder de zonas donde el plasma no produce fusión (T << 10 keV)

34 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid – Conclusiones La interacción plasma-pared en dispositivos de fusiónnuclear 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 : m e > v i & 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)


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