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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


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


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


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


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

- +

- +

- +

- +

-


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)


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


Tema 1 : Introducción (VI)

Campos magnéticos en el borde de plasmas tokamaks

Limitador :Bprovisto por bobinas externas & B0p2a)

pldB I0


Tema 1 : Introducción (VII)

Campos magnéticos en el borde de plasmas tokamaks

Divertor :Bprovisto por bobinas externas & BBplasmaBdiv

Punto X BBplasma0p2a)

||Bdiv0d2d)

a d


Tema 1 : Introducción (VIIb)

Configuraciones con divertor reales. Ejemplo tokamak JET


Tema 1 : Introducción (VIII)

Implicaciones prácticas del control de interacción plasma-pared :

Limitadores y Placas Divertoras


Tema 1 : Introducción (VIIIb)

Interacción del plasma con limitadores y placas divertoras

Ejemplo : Plasma del tokamak JET


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


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


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


Tema 1 : Introducción (XIb)

Re-emisión de D como D0 o D2 depende de la temperatura de la

superficie (C)


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


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


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


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


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


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


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


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


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


Tema 1 : Introducción (XIXb)

Bajo f ignición a más bajo neTeE


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


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

||


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%


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


Tema 1 : Introducción (XXIIIb)

Geometría del divertor maximiza redeposición

Redeposición 90% !!!

ITER divertor

R

R (m)


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


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)


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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