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Transporte de Part ículas y Energía en la SOL de dispositivos de fusi ón

Transporte de Part ículas y Energía en la SOL de dispositivos de fusi ón. Alberto Loarte European Fusion Development Agreement Close Support Unit - Garching. Tema 3 : SOL (I). Transformaci ón 3 -D  2D del plasma en la SOL. Flujos del plasma confinado a la SOL Energ ía  P SOL

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Transporte de Part ículas y Energía en la SOL de dispositivos de fusi ón

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Presentation Transcript

  1. Transporte de Partículas y Energíaen la SOL de dispositivos de fusión Alberto Loarte European Fusion Development Agreement Close Support Unit - Garching Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 1

  2. Tema 3 : SOL (I) Transformación 3-D  2D del plasma en la SOL Flujos del plasma confinado a la SOL Energía  PSOL Partículas  SSOL r Transporte Sheath l Transporte Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 2

  3. Tema 3 : SOL (II) Tras q vueltas toroidales q = aBf/RBq > 2 vueltas toroidales/vuelta poloidales l w a R 2pa aq Rf Lq=2pRq Lq longitud de conexión Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 3

  4. Tema 3 : SOL (III) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 4

  5. Tema 3 : SOL (IV) SOL pre-sheath ne= ni = n, ve=vi & Se= Si= S (difusión, ionización) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 5

  6. Tema 3 : SOL (V) SOL isotérmica  Flujo de partículas Número de Mach Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 6

  7. Tema 3 : SOL (VI) La solución de la ecuación diverge en a la entrada del sheath + criterio de Bohm Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 7

  8. Tema 3 : SOL (VII) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 8

  9. Tema 3 : SOL (VIII) Balance de momento en la SOL Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 9

  10. Mse = 1 nse = n0/2 Tema 3 : SOL (IX) SOL isotérmica  Te,i = Constante =  n(M) nse = densidad a la entrada del sheath Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 10

  11. Tema 3 : SOL (X) Medida de la densidad con sondas de Langmuir nse = nplasma/2 La introducción de una sonda de Langmuir en un plasma disminuye su densidad en las proximidades de la sonda nplasma no perturbado Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 11

  12. Tema 3 : SOL (XI) Transporte de energía en la SOL Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 12

  13. Tema 3 : SOL (XII) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 13

  14. 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 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 14

  15. 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) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 15

  16. Tema 3 : SOL (XV) Si ve = vi JSOL = 0 y los electrones se calientan for efecto Joule SOL : ve ~ vi , JSOL ~ 0  QjouleSOL ~ 0 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 16

  17. Tema 3 : SOL (XVI) Transferencia de energía electrones  iones es lenta me<< mi  QequipartitionSOL Ee E’eE’i Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 17

  18. Tema 3 : SOL (XVII) T = 100 eV, n = 1019 m-3, L = 10 m Intercambio de energía entre iones y electrones en la SOL es pequeño  Te/Ti determinado por el sheath Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 18

  19. Tema 3 : SOL (XVIII) con las aproximaciones anteriores Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 19

  20. Tema 3 : SOL (XIX) Ecuaciones de transporte II B en la SOL + condiciones de contorno del sheath condiciones de contorno del sheath : Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 20

  21. Tema 3 : SOL (XX) SOL simples : S = Sdiffusiva = Constante ~ Isoterma (Te = Ti = T ~ Constante) + Qion+rad = 0 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 21

  22. Tema 3 : SOL (XXI) Te = Ti = T= Const. Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 22

  23. Tema 3 : SOL (XXII) Te = Ti = T= Const. Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 23

  24. w ln Dx Tema 3 : SOL (XXIII) Fuentes difusivas  anchura de la SOL r Conservación de partículas Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 24

  25. ln competición de transporte II B & I B w DI = 1m2s-1, T =100 eV, L = 10 m ln Dx Tema 3 : SOL (XXIV) v|~ DI/ln~ 102 m/s vII~ 105 m/s ln ~ 1.4 cm Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 25

  26. Tema 3 : SOL (XXV) ln << a  interacción plasma-superficie concentrada JET a ~ 1m, ln ~ 1cm a x x ln Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 26

  27. Determinación de a partir de TSOL y ln Tema 3 : SOL (XXVI) FTU q Típicamente Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 27

  28. w lp Tema 3 : SOL (XXVII) Temperatura de la SOL (SOL simple) En SOL simple T(x) = T (conduccion II B muy eficiente) PSOL 2pRq Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 28

  29. Tema 3 : SOL (XXVIII) Anchura del flujo de potencia en la SOL (SOL simple) La potencia fluye sobre los materiales en un area menor que las partículas Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 29

  30. Tema 3 : SOL (XXIX) SOL compleja : S = Sdiffusiva + Sion & Qion+rad = 0 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 30

  31. 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 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 31

  32. Tema 3 : SOL (XXXI) Las condiciones en el sheath dependen de las x = 0 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 32

  33. SOL simple ( ) SOL compleja ( ) Tema 3 : SOL (XXXII) sheath Transporte II B en SOL compleja los parámetros del plasma los determina el transporte II B y el sheath se ajusta a ellos en SOL simple el sheath determina los parámetros del plasma en x=0 Plasma confinado Plasma confinado SOL SOL Trans II B Trans II B sheath sheath Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 33

  34. SOL simple ( ) SOL compleja ( ) Tema 3 : SOL (XXXIII) 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 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 34

  35. SOL simple ( ) SOL compleja ( ) Tema 3 : SOL (XXXIV) Flujo de partículas limitador/divertor = Flujo difusivo del plasma confinado Flujo de partículas limitador/divertor >> Flujo difusivo del plasma confinado Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 35

  36. Tema 3 : SOL (XXXV) Balance de partículas en SOL compleja Alta n Sion G Sdiff x x Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 36

  37. Sdiff aSion Tema 3 : SOL (XXXVI) Divertor de alto reciclado Sion Sdiff x Sdifftot=a Siontot a <<1 Divertor & n alta Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 37

  38. Sion G Sdiff x x lion M=1 M x lion Tema 3 : SOL (XXXVII) Propiedades de la SOL del divertor de alto reciclado MSOL~ 0 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 38

  39. T x Tema 3 : SOL (XXXVIII) Propiedades de la SOL del divertor de alto reciclado Tt << TSOL SOL simple Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 39

  40. SOL simple = limitada por el Sheath Tema 3 : SOL (XXXIX) Ventajas del régimen de alto reciclado  nt alta y Tt baja independientes de TSOL (PSOL) • Tt baja  Ysput bajo  Erosión baja • Tt baja & nt alta  Qion & Qrad altas D Tt << TSOL SOL de alto reciclado qrad Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 40

  41. Tema 3 : SOL (XL) Limitaciones régimen de alto reciclado  inclusión de Erad-ion(D) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 41

  42. Tema 3 : SOL (XLI) La conservación de momento lleva a la existencia de un qsheathmin 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) Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 42

  43. 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) • D+ (Ti) + e- D0 (Ti) + hn • D+ (Ti) + e- + e- D0 (Ti) + e- + + 0 0 ne= ni Te= Ti <sv>CX > <sv>ion Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 43

  44. 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 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 44

  45. 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 Alberto Loarte Curso Interacción Plasma-Pared Universidad Carlos III de Madrid 29 - 03 – 2005 45

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