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Introducción a la Física de la Interacción Plasma-Pared en Dispositivos de Fusión Nuclear

Introducción a la Física de la Interacción Plasma-Pared en Dispositivos de Fusión Nuclear. Alberto Loarte European Fusion Development Agreement Close Support Unit - Garching. Esquema del Curso. 1. Introducción Conceptos básicos de interacción plasma-pared

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Introducción a la Física de la Interacción Plasma-Pared en Dispositivos de Fusión Nuclear

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  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 1

  2. 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 29 - 03 – 2005 2

  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 29 - 03 – 2005 3

  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 = 5 106 m/s D+ : rL = 0.5 mm lII = 14 m v = 9 104 m/s Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 4

  5. -+ -+ -+ -+ - Establecimiento del Sheath Flujos estacionarios de plasma a sólido Ge = Gi Tema 1 : Introducción (III) Plasma en contacto con sólidos  formación 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 29 - 03 – 2005 5

  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 29 - 03 – 2005 6

  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 29 - 03 – 2005 7

  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 29 - 03 – 2005 8

  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 Bqplasma = m0Ip/(2pa) || Bqdiv = m0Id/(2pd) a d Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 9

  10. Tema 1 : Introducción (VIIb) Configuraciones con divertor reales. Ejemplo tokamak JET Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 10

  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 29 - 03 – 2005 11

  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 29 - 03 – 2005 12

  13. Backscattering de iones • Backscattering de electrones y emisión de electrones secundarios • Reemisión de moléculas • Sputtering físico • Sputtering químico Tema 1 : Introducción (IX) Procesos físicos en materiales en contacto con plasmas 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 29 - 03 – 2005 13

  14. Tema 1 : Introducción (X) Backscattering de iones E1 E’1 aumenta para m2 >> m1 E’1E’2 Eion (H) = 13.6 eV & Eion (C) = 11.2 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 29 - 03 – 2005 14

  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 29 - 03 – 2005 15

  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 29 - 03 – 2005 16

  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 29 - 03 – 2005 17

  18. Tema 1 : Introducción (XIII) Sputtering Físico • Cuando E’2 ~ Eligadurasólido un átomo del material puede ser eyectado… E1 E’1E’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 29 - 03 – 2005 18

  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 29 - 03 – 2005 19

  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 29 - 03 – 2005 20

  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 29 - 03 – 2005 21

  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 29 - 03 – 2005 22

  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 29 - 03 – 2005 23

  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 29 - 03 – 2005 24

  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 29 - 03 – 2005 25

  26. Bajo fa ignición a más bajo neTetE Tema 1 : Introducción (XIXb) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 26

  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 29 - 03 – 2005 27

  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 - 03 – 2005 28

  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 29 - 03 – 2005 29

  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 29 - 03 – 2005 30

  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 29 - 03 – 2005 31

  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 29 - 03 – 2005 32

  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 29 - 03 – 2005 33

  34. 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 29 - 03 – 2005 34

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