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)
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