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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 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 29 - 03 – 2005 2
Esquema del Curso
1. IntroducciónConceptos básicos de interacción plasma-pared
2. Física del Plasma en Contacto con MaterialesFormación 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
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Tema 1 : Introducción (I)
BvqF
B
B
El campo magnético provee el aislamiento térmico del plasma
disminuye los flujos de energía/partículas que el plasma pierde
pero no
Sin Con 2m
3kT V
B
||
B
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Tema 1 : Introducción (II)
Procesos difusivos Ley de Fick:
dx
dn D
v ~ D
1vv
DD
||||||||
~ ~
L
Te = 100 eV, ne = 1019 m-3, Bt = 3 T
Electrones L = 10 m II = 14 m v = 5 106 m/s
D+ L = 0.5 mm II = 14 m v = 9 104 m/s
v
D coeficiente de difusión, camino libre medio entre colisiones, tiempo medio entre
colisiones
n
T
nn coulcoul
2
4-|| v
11v
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Tema 1 : Introducción (III)
Plasma en contacto con sólidos formación del sheath
Flujos al contacto entre plasma y sólido :
e = ne ve & i = ni vi
e/i = ve/vi = (mi/me)1/2 ~ 60
Plasmane = ni
Flujos estacionarios de plasma a sólido
e = i
Establecimiento del Sheath
E
- +
- +
- +
- +
-
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Tema 1 : Introducción (IV)
Plasmas en campos magnéticos y en contacto con sólidos
Sheath + Scrape-off Layer
1vv
DD
||||||||
~ ~
L
a
/a << 1 (típicamente < 10-2)
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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
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Tema 1 : Introducción (VI)
Campos magnéticos en el borde de plasmas tokamaks
Limitador :Bprovisto por bobinas externas & B0p2a)
pldB I0
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Tema 1 : Introducción (VII)
Campos magnéticos en el borde de plasmas tokamaks
Divertor :Bprovisto por bobinas externas & BBplasmaBdiv
Punto X BBplasma0p2a)
||Bdiv0d2d)
a d
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Tema 1 : Introducción (VIIb)
Configuraciones con divertor reales. Ejemplo tokamak JET
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Tema 1 : Introducción (VIII)
Implicaciones prácticas del control de interacción plasma-pared :
Limitadores y Placas Divertoras
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Tema 1 : Introducción (VIIIb)
Interacción del plasma con limitadores y placas divertoras
Ejemplo : Plasma del tokamak JET
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Tema 1 : Introducción (IX)
Procesos físicos en materiales en contacto con plasmasBackscattering 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
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Tema 1 : Introducción (X)
Backscattering de iones
Eion (H) = 13.6 eV&
Eion (C) = 11.2 eV Eion (W) = 7.8 eV
E1
mm
mmEE
21
212
2
1
'
1
E’1 E’2
mmmm
EE21
2121
'
2
4
E’1 aumenta para m2 >> m1
D+ es mayoritariamente reemitido como átomo neutro y no como ion
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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
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Tema 1 : Introducción (XIb)
Re-emisión de D como D0 o D2 depende de la temperatura de la
superficie (C)
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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 )
La emisión de electrones reduce la diferencia inicial entre e y i y afecta (reduce) el campo eléctrico del sheath
Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 18
Tema 1 : Introducción (XIII)
Sputtering Físico
Cuando E’2 ~ Eligadurasólido un átomo del material puede ser eyectado…
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)
mmmm
EE21
2121
'
2
4
E1
E’1 E’2
121
'
2
'
max,2 EmmEE
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Tema 1 : Introducción (XIV)
Sputtering Físico : Ysputt + Distribución de Thompson
A alto E1 D+ se implanta Esput
atom ~ 10 eV
UEE
dEdY
01
1~ 3
mm
mmmmEU ligadura
21
214~ 4
2
21
0
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Tema 1 : Introducción (XV)
Sputtering QuímicoEl 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
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Tema 1 : Introducción (XVI)
Impurezas y Contaminación del PlasmaÁtomos erosionados Plasma ionización y radiación
a) Ionización
e + AZ e + e + A*Z+ e + e + AZ+ + hb) Recombinación
e + AZ+ AZ AZ + hc) Excitación Radiación
e + AZ A*Z AZ + hd) Bremmsstrahlung
e (E1) + AZ+ AZ+ + e (E2) + h
E1 = E2+h
20
2
4 r
Zeame 3
0
22
6~~
c
aeebremrad
dtdE
P
PCore Radiation
Impurezas
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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
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Tema 1 : Introducción (XVIII)
Consecuencias de la contaminación por impurezas
Las impurezas disminuyen reactividad del plasma por : Contaminación del Plasma
D + T He4 + nE (3.5 MeV) = ¼ En(14.1 MeV) = 1/5 Efusión (17.6 MeV)
Pfusión = 5 P ~ nD nT <v>DT ~ (nDT TDT)2
Impureza de número atómico Z
ne = Z nZ + 2 nDT < ne,lim
Pfusión < ¼ (ne,lim – ZnZ)2 TDT2
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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
Baja Z nZmax pero (mD~ mZ) YZ
Contaminación y radiación limitan
la densidad máxima de
impurezas en un plasma para
producción de energía de fusión
nZ < nZmax
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Tema 1 : Introducción (XIX)
Contaminación por Helio
En estado estacionario de ignición
P ~ nDT2 <v>DT ~ (nDT Tplasma)2 = Ploss = Pradiation + Eplasma/E (convección/conducción)
ne = 2nDT + 2 nHe , f = nHe/ne nDT = ne (1/2-f)
Eplasma = 3/2 nT V ~ (ne + 2nDT+ nHe) T ~ ne (2 –f)T
Pradiation (He) ~ Pbremsstrahlung ~ ne2 (1+2f) T1/2
C1 ne2(1/2-f)2 T2 = C2 ne
2 (1+2fa) T1/2 + C3 ne (2 –f)T /E
ne T E (C1 (1/2-f)2 - C2 (1+2fa) T-3/2) = C3 (2 –f)
He es el producto de la fusión y provee la energía para mantener la reacción
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Tema 1 : Introducción (XIXb)
Bajo f ignición a más bajo neTeE
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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
D0
en
la b
om
ba
de
va
cío
Bomba de
vacío
He & D0
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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
1DD
||
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Tema 1 : Introducción (XXII)
Control de la erosión de los elementos materiales En un reactor material~1024 m-2s-1 + Yc ~ 1% C ~ 1022 m-2s-1
(g/at) 0.2 gm-2s-1 (2g/cm-3) 0.1 m s-1 3.15 m/año
Redeposición de material erosionado ~ 90%
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Tema 1 : Introducción (XXIII)
Geometría del divertor maximiza ionización en periferia
nZ = nZsuperficie e-x/
= vZ/(n <v>ion)
para n y T iguales
nZdiv < nZ
lim
xdiv > xlim
SOL
Plasma confinado
Plasmas confinados más limpios con
divertores
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Tema 1 : Introducción (XXIIIb)
Geometría del divertor maximiza redeposición
Redeposición 90% !!!
ITER divertor
R
R (m)
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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
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Tema 1 : Introducción (XXIVb)
Aumento de radiación periférica en plasmas con divertores
Divertor ionización periferica radiación periférica Pwall
nzcore
Pradcore
Pfus
nzedge
Pradedge
Pwall
La radiación debe proceder de zonas donde el plasma no
produce fusión (T << 10 keV)
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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 :
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)
1DD
||
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