Introducción a la Física de la Interacción Plasma-Pared (página 2)

Partes: 1, 2

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)
E1
E’1 E’2

Tema 1 : Introducción (XIV)
Sputtering Físico : Ysputt + Distribución de Thompson
A alto E1 ? D+ se implanta
Esputatom ~ 10 eV

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

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

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 + n
Ea (3.5 MeV) = ¼ En(14.1 MeV) = 1/5 Efusión (17.6 MeV)
Pfusión = 5 Pa ~ nD nT 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
Pa ~ nDT2 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)
He es el producto de la fusión y provee la energía para mantener la reacción

Tema 1 : Introducción (XIXb)
(Gp:) Bajo fa ? ignición a más bajo neTetE

Tema 1 : Introducción (XX)
Bombeado de Helio ? obtener fa lo más bajo posible
Control de interacción plasma-pared ? maximizado de bombeado de He ? disminución de fa
nHe/nD0 en la bomba de vacío
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 (+ Bq control)

Grandes flujos de partículas y energía sobre las zonas afectadas ? Erosión + Sobrecalentamiento

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%

Tema 1 : Introducción (XXIII)
Geometría del divertor ?maximiza ionización en periferia
nZ = nZsuperficie e-x/l
= vZ/(n ion)
para n y T iguales
nZdiv < nZlim
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 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)