transporte de part ículas y energía en la sol de dispositivos de fusi ón

Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 1

Transporte de Partículas y Energía

en la SOL de dispositivos de fusión

Alberto Loarte

European Fusion Development Agreement

Close Support Unit - Garching


Tema 3 : SOL (I)

Transformación 3-D 2D del plasma en la SOL

Flujos del plasma confinado a la SOL

Energía PSOL

Partículas SSOL

Transporte

Transporte

r Sheath


Tema 3 : SOL (II)

Ra

q = aB/RB> 2

vueltas toroidales/vuelta poloidales

Tras q vueltas toroidales

w

wLaRVqSOL

22Lq=2Rq

aB

R

2a

BRB

qaw 22 Lq longitud de conexión


Tema 3 : SOL (III)

e

e Sv

dx

nd e

BB

RASOL

2 RqLSOL

2


Tema 3 : SOL (IV)

S

v

dx

nd

SOL pre-sheath ne= ni = n, ve=vi & Se= Si= S (difusión, ionización)


Tema 3 : SOL (V)

SOL isotérmica Flujo de partículas

Número de Mach


Tema 3 : SOL (VI)

La solución de la ecuación diverge en

a la entrada del sheath

+ criterio de Bohm

1se

M


Tema 3 : SOL (VII)


Tema 3 : SOL (VIII)

Balance de momento en la SOL


Tema 3 : SOL (IX)

SOL isotérmica Te,i = Constante = n(M)

Mse = 1

nse = n0/2nse = densidad a la entrada del sheath


Tema 3 : SOL (X)

Medida de la densidad con sondas de Langmuir

nplasma

no perturbado

nse = nplasma/2

La introducción de una sonda de Langmuir en un plasma disminuye su densidad en las proximidades de la sonda


Tema 3 : SOL (XI)

Transporte de energía en la SOL


Tema 3 : SOL (XII)


Tema 3 : SOL (XIII)

Conducción electrónica e iónica

si Ti ~ Te y dTi/dx ~ dTe/dx

La conducción por electrones es dominante sobre la de iones


Tema 3 : SOL (XIV)

Convección/Conducción de energía en la SOL

si Ti ~ Te = T

T = 100 eV, n = 1019 m-3, L = 10 m

La conducción por electrones es dominante en el transporte de energía en la SOL (T > 10 eV)


Tema 3 : SOL (XV)

L

q

LTnc

L

VencenvE econvessheathpre

s,~

21~~

eLT

L

V

dxdVE esheathpre

21~~

iejoulevvRQ ~

Si ve = vi JSOL = 0 y los electrones se calientan for efecto Joule

SOL : ve ~ vi , JSOL ~ 0 QjouleSOL ~ 0


Tema 3 : SOL (XVI)

ie

iei

e

ionequipartit

TTnmm

Q,

3

Ee

E’e E’i mmE

mmmm

EEi

eeei

ie

ie 442

'

Transferencia de energía electrones iones eslenta me<< mi Qequipartition

SOL

ies

conv

i

e

i

e

ieionequipartit c

qmm

mmnTQ

,,

~~

ie

s

i

e

conv

ionequipartit cL

mm

Lq

Q

,

~


Tema 3 : SOL (XVII)

ie

s

i

e

conv

ionequipartit cL

mm

Lq

Q

,

~

T = 100 eV, n = 1019 m-3, L = 10 m

26

510~

210/10

10

36001~

ssm

m

Lq

Q

conv

ionequipartit

Intercambio de energía entre iones y electrones en la SOL es pequeño Te/Ti determinado por el sheath


Tema 3 : SOL (XVIII)

con las aproximaciones anteriores


Tema 3 : SOL (XIX)

Ecuaciones de transporte II B en la SOL + condiciones de contorno del sheath

S

v

dx

nd

condiciones de contorno del sheath :

L)(xcL)v(x s


Tema 3 : SOL (XX)

SOL simples : S = Sdiffusiva = Constante

~ Isoterma (Te = Ti = T ~ Constante) + Qion+rad = 0

S

v

dx

nd SLLxvLxnvn tt )()(

iss m

T2c L)(xcL)v(x

Lcn

S st


Tema 3 : SOL (XXI)

021nn

t

Te = Ti = T= Const.

LcnS s

20


Tema 3 : SOL (XXII)

LQLxqqtransportt

)(

L

Tcn

L

TcnQ sttsttransport 2

0, Te = Ti = T= Const.


Tema 3 : SOL (XXIII)

Fuentes difusivas anchura de la SOL

drdnD

w

n

x

nxSwxw L

cnS s

20

Conservación de partículas

Lnc

drdnD ns

2

r

sn c

LD 2

n

ar

eanarn

)()(


Tema 3 : SOL (XXIV)

n

ar

eanarn

)()(

SOLss

nD

LcD

cLD

2

2

2v sSOL

SOL cLL

n competición de transporte II B & I B

sn c

LD 2

w

n

x

DI = 1m2s-1, T =100 eV, L = 10 m

n ~ 1.4 cm

v|~ DI/n~ 102 m/s

vII~ 105 m/s


Tema 3 : SOL (XXV)

n << a interacción plasma-superficie concentrada

a

x

xn

JET a ~ 1m, n ~ 1cm


Tema 3 : SOL (XXVI)

FTU

Determinación de a partir de TSOL y nD

sn c

LD 2

Rq

mT

Rq

mTT

LcD i

en

i

ien

sn

2

2

22

222

Típicamente12

exp0.11.0~

smD SOL


Tema 3 : SOL (XXVII)

Temperatura de la SOL (SOL simple)En SOL simple T(x) = T (conduccion II B muy eficiente)

RqwPq SOL

2

w

p

Rq

PSOL

2s

sttnTcTcnq

SOLsps

SOLAnTcwnTcP

22

32

2

i

SOL

SOL mnA

PT


Tema 3 : SOL (XXVIII)

Anchura del flujo de potencia en la SOL (SOL simple)

2||s

sttnTcTcnqq

Tnp 2311

n

ar

eanarn

)()(

T

ar

eaTarT

)()( p

ar

s eacaTanq

2

)()()(||

TnTn

Tnp

,23

2

La potencia fluye sobre los

materiales en un area menor que las

partículas


Tema 3 : SOL (XXIX)

SOL compleja : S = Sdiffusiva + Sion & Qion+rad = 0

L

TcnQ ttsttransport

,

S

v

dx

nd


Tema 3 : SOL (XXX)

Te(x) solo cambia significativamente cerca de x=L

si Te,0 >> Te,t

Te en la SOL sólo esta determinada por el flujo de energía global y II B y no por el sheath


Tema 3 : SOL (XXXI)

teConsTcnAPq ttstSOL

SOL tan,||

SOL

SOL

i

tts ATn

PmT

c00

,22

2

00

2

2

SOL

SOLit ATn

PmT

Las condiciones en el sheath dependen de las x = 0


Tema 3 : SOL (XXXII)

SOL simple ( ) SOL compleja ( )0T 0T

en SOL simple el sheath determina los parámetros

del plasma en x=0

en SOL compleja los parámetros del plasma

los determina el transporte II B y el sheath

se ajusta a ellosPlasma

confinadoSOL

Trans II B

sheath

Plasma confinado

SOL

Trans II B

sheath

Transporte II B

sheath


Tema 3 : SOL (XXXIII)

SOL simple ( ) SOL compleja ( )0T 0T

en SOL simple el flujo de partículas sobre el

limitador/divertor aumenta linealmente con n

en SOL simple el flujo de partículas sobre el

limitador/divertor aumenta cuadráticamente con n

0, 2nccn s

tstt

SOL

SOL

i

tts ATn

PmT

c00

,22

002

2

21

TnPA

m SOL

SOL

it


Tema 3 : SOL (XXXIV)

SOL simple ( ) SOL compleja ( )0T 0TFlujo de partículas limitador/divertor

= Flujo difusivo del plasma confinadoFlujo de partículas

limitador/divertor >> Flujo difusivo del plasma confinado

0, 2nccn s

tstt

ntwxw

n

onDdrdnD

002

2

21

TnPA

m SOL

SOL

it

n

onDdrdnD

ot n


Tema 3 : SOL (XXXV)

ot n

ionS

dx

nd diffS

v

Alta nt

dxSdxS diffSOLionSOL

x

Sdiff

Sion

x

Balance de partículas en SOL compleja


Tema 3 : SOL (XXXVI)

dxSdxS diffSOLionSOL

Sdiff

Sion

x

Divertor de alto reciclado

Sdifftot

= Siontot

<<1

confinadoplasmaprodneutionplasma

neution

xxdvn

v

Divertor & n alta

Sion

Sdiff


Tema 3 : SOL (XXXVII)

x

Sdiff

Sion

x on

x

M M=1

on

Propiedades de la SOL del divertor de alto reciclado

MSOL~ 0


Tema 3 : SOL (XXXVIII)

x

T

Propiedades de la SOL del divertor de alto reciclado

Tt << TSOL

TnTn

Tnp

,23

2

SOL simple


Tema 3 : SOL (XXXIX)

Ventajas del régimen de alto reciclado nt alta y Tt baja independientes de TSOL (PSOL)

Tt << TSOL

Tt baja Ysput bajo Erosión baja

Tt baja & nt alta Qion & Qrad altas

D

SOL simple = limitada por el Sheath

SOL de alto reciclado

qrad


Tema 3 : SOL (XL)

Limitaciones régimen de alto reciclado inclusión de Erad-ion(D)

ionradD

ttstsheath ETcnq ,

ttradD

ionradD TeVTeVEeVE 3.0)10(256.13

i

tts m

Tc

2,

ionradD

ttst

sheathETc

TTn

q ,00

2

t

ionradD

ti

sheath T

ET

m

Tnq 2

00

0tsheathTq


Tema 3 : SOL (XLI)

La conservación de momento lleva a la existencia de un qsheathmin

t

ionradD

ti

sheath T

ET

m

Tnq 2

00

0tsheathTq

Esta limitación se rompe con el fenómeno del detachnment

el divertor con plasma en estado detached es el régimen necesario en

reactores de fusión (y el ITER)


Tema 3 : SOL (XLII)

El intercambio de carga del Deuterio da lugar a un sumidero de momento del plasma

A T bajas y n altas el plasma se recombina

D+ (Ti) + D0(T0~0) D0 (Ti) + D+(T0~0)

E+ 0

E0 +

a) D+ (Ti) + e- D0 (Ti) + h

b) D+ (Ti) + e- + e- D0 (Ti) + e-

ne= ni

Te= Ti

<v>CX > <v>ion


Tema 3 : SOL (XLII)

La pérdida de momento por intercambio de carga de D+ y D0 y la recombinación rompen el balance de presion en la SOL detachment

Por la no conservación de presión que causa el detachment

ntrecicladoalto

t2

ttTnTn 200

00det tsheathached Tq


Conclusiones

El transporte de partículas y energía en la SOL esta determinado por la competición del transporte paralelo y perpendicular a B y las condiciones de contorno del sheath En la SOL simple el sheath y el flujo de potencia que pierde el plasma

confinado determinan las características del plasma lejos de los materiales En la SOL de alto reciclado las propiedades del plasma lejos de los materiales las determina el transporte paralelo a B y el sheath se adapta a ellos La conservación de momento en la SOL determina la existencia de un

mínimo flujo de energía sobre los materiales en la SOL de alto reciclado El fenómeno del detachment del plasma rompe el balance de momento

en la SOL y permite reducir el flujo de energía sobre los materiales a valores arbitrariamente bajos régimen de referencia en

reactores de fusión

transporte de part ículas y energía en la sol de dispositivos de fusi ón

Documents

sol xxxiiien sol simple

sol xxxiien sol simple

sol sol simpleen sol

sol sol simplela potencia

sol iiraq

sol de dispositivos

sol xxviitemperatura

sol iiitema