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Introducción a la Física de la Interacción Plasma-Pared



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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