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Introducción a la Física de la Interacción Plasma-Pared




Enviado por Pablo Turmero



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    Esquema
    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 : 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 : Introducción (II)
    Procesos difusivos ? Ley de Fick:
    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
    D coeficiente de difusión, l camino libre medio entre colisiones, t tiempo medio entre colisiones

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    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
    (Gp:) Flujos estacionarios de plasma a sólido
    Ge = Gi
    (Gp:) Establecimiento del Sheath
    (Gp:) – +
    – +
    – +
    – +

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

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    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
    Bq plasma = m0Ip/(2pa)
    ||
    Bq div = m0Id/(2pd)
    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 plasmas
    (Gp:) 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

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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
    E’1 E’2
    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 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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