Introducci n a la f sica de la interacci n plasma pared en dispositivos de fusi n nuclear
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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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Introducci n a la f sica de la interacci n plasma pared en dispositivos de fusi n 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

Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 1


Esquema del curso

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

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Tema 1 introducci n i

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

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Tema 1 introducci n ii

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

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Tema 1 introducci n iii

-+

-+

-+

-+

-

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

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Tema 1 introducci n iv

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)

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Tema 1 introducci n v

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

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Tema 1 introducci n vi

Tema 1 : Introducción (VI)

Campos magnéticos en el borde de plasmas tokamaks

Limitador :Bf provisto por bobinas externas & Bq = m0Ip/(2pa)

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Tema 1 introducci n vii

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

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Tema 1 introducci n viib

Tema 1 : Introducción (VIIb)

Configuraciones con divertor reales. Ejemplo tokamak JET

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Tema 1 introducci n viii

Tema 1 : Introducción (VIII)

Implicaciones prácticas del control de interacción plasma-pared :

Limitadores y Placas Divertoras

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Tema 1 introducci n viiib

Tema 1 : Introducción (VIIIb)

Interacción del plasma con limitadores y placas divertoras

Ejemplo : Plasma del tokamak JET

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Tema 1 introducci n ix

  • 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

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Tema 1 introducci n x

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

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Tema 1 introducci n xi

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 introducci n xib

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 introducci n xii

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

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Tema 1 introducci n xiii

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)

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Tema 1 introducci n xiv

Tema 1 : Introducción (XIV)

Sputtering Físico : Ysputt + Distribución de Thompson

  • A alto E1 D+ se implanta

  • Esputatom ~ 10 eV

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Tema 1 introducci n xv

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

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Tema 1 introducci n xvi

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

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Tema 1 introducci n xvii

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 introducci n xviii

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

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Tema 1 introducci n xviiib

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

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Tema 1 introducci n xix

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)

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Tema 1 introducci n xixb

Bajo fa ignición a más bajo neTetE

Tema 1 : Introducción (XIXb)

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Tema 1 introducci n xx

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

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Tema 1 introducci n xxi

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

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Tema 1 introducci n xxii

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%

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Tema 1 introducci n xxiii

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

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Tema 1 introducci n xxiiib

Tema 1 : Introducción (XXIIIb)

Geometría del divertor maximiza redeposición

ITER divertor

Redeposición 90% !!!

R

R (m)

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Tema 1 introducci n xxiv

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 introducci n xxivb

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

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Conclusion e s

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)

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