aug.ipp.mpg.de/TOK/Mitarbeiter/Sibylle.Guenter/Vorlesung

1. Skript/Folien: http://www.aug.ipp.mpg.de/TOK/Mitarbeiter/Sibylle.Guenter/Vorlesung Literatur: • M. Kaufmann, "Plasmaphysik und Fusionsforschung", Teubner 2003, ISBN: 3-519-00349-X • R.J. Goldston, P.H. Rutherford, "Plasmaphysik. Eine Einführung", Vieweg 1998, ISBN: 3-528-06884-1 • T.J.M. Boyd and J.J. Sanderson, "The Physics of Plasmas", Cambridge University Press 2003, ISBN: 0 521 45912 5 • F.F. Chen, "Plasma Physics and Controlled Fusion", Plenum Press, 1990, ISBN: 0-306-41332-9

2. Gliederung der Vorlesung: • Einführung in die Plasmaphysik • Stöße im Plasma • Plasmarandschicht, Langmuir-Sonden • Thermodynamisches Gleichgewicht, Strahlung • Gasentladungsphysik • Teilchenbewegung in elektrischen und magnetischen Feldern • Kinetische Beschreibung von Plasmen (Vlasov- Gleichung, Landau-Dämpfung, Stoßterme) • Flüssigkeitbeschreibung von Plasmen (MHD- Gleichungen, Rekonnektion, Hall-Generator) • MHD-Gleichgewicht und Stabilität • Wellen in Plasmen • Hochfrequenzentladungen, Plasmatechnologie • Teil II: Fusionsplasmen

3. Grundlage der Kernkraft ist die Bindungsenergie der Nukleonen bei der Spaltung schwerer bzw. Fusion leichter Atomkerne wird Bindungsenergie freigesetzt

4. Bisherige Kernenergie aus Spaltung Probleme: - Kontrolle Kettenreaktion - Spaltprodukte radioaktiv (Lagerung für mehr als 10000 Jahre nötig)

5. Kernfusion ist eher einem Brennvorgang ähnlich Selbsterhaltend, keine Kettenreaktion Entzündungstemperatur erforderlich: einige100°C > 100 Mio. °C Energiegewinn pro Einzelreaktion: einige eV einige Mio. eV

6. Energiegewinn, weil He-Masse < 4 H-Massen E = m c2 Wie gewinnt die Sonne Energie? Verschmelzung von 4 Wasserstoffkernen

7. Wie macht es die Sonne ? Fusionsleistung steigt mit Temperatur im Zentrum Im Zentrum: T = 10 Mio. oC

8. Wie macht es die Sonne ? Fusionsleistung steigt mit Temperatur im Zentrum Strahlungsverluste steigen mit Temperatur der Oberfläche (~ T4) Im Zentrum: T = 10 Mio. oC Am Rand: T = 5400 oC

9. Wie macht es die Sonne ? Fusionsleistung steigt mit Temperatur im Zentrum Strahlungsverluste steigen mit Temperatur der Oberfläche (~ T4)  hohe Zentraltemperatur, niedrige Randtemperatur  gute Wärmeisolation notwendig! Im Zentrum: T = 10 Mio. oC Am Rand: T = 5400 oC

10. Wie macht es die Sonne ? Bei diesen Temperaturen liegt Wasserstoff als Plasma vor Im Zentrum: T = 10 Mio. oC Am Rand: T = 5400 oC

11. Wie macht es die Sonne ? Bei diesen Temperaturen liegt Wasserstoff als Plasma vor Plasma: '4ter Aggregatzustand'

12. Plasma: '4ter Aggregatzustand' elektrisch leitfähiges Gas - + Wasserstoff Wie macht es die Sonne ? Bei diesen Temperaturen liegt Wasserstoff als Plasma vor

13. Tritium: überschwerer Wasserstoff, Herstellung aus Lithium (Erdkruste, Meerwasser) Deuterium: schwerer Wasserstoff, wird aus Meerwasser gewonnen, nahezu unerschöpfliche Vorräte - + Fusion auf der Erde - wie geht das? Auf der Erde ist eine andere Fusionsreaktion günstiger: Statt Wasserstoff verwendet man

14. Asche Helium (He) Energie Neutronenenergie ==> Wärme Fusion auf der Erde - wie geht das? Auf der Erde ist eine andere Fusionsreaktion günstiger:

15. Voraussetzung für Fusionskraftwerk • Temperatur: > 100 Mio. °C • Ausreichend Teilchen pro Volumen (ca. 1/500 000 weniger als in der Atmosphäre) • gute Wärme-Isolierung Zeit bis Abkühlung nach Aufheizen: ca. t = 5 s

16. Geladene Teilchen bewegen sich frei nur entlang von Magnetfeldlinien Wie kann man ein heißes Plasma einschließen? Es ist 10 mal heißer als das Sonnen-Innere. Welches Material kann das aushalten? Keines! Aber man kann Teilchenbewegung mit Magnetfeldern beeinflussen.

17. Plasma, der 4. Aggregatzustand Plasma: Griech. „Geformtes, Gebilde“ • freie Elektronen und Ionen • gute elektr. Leitfähigkeit • langreichweitige Wewi • u.U. hohe Wärmeleitfähigkeit • Kraftwirkung von Magnetfeldern

19. Plasmen in der Astrophysik ca. 99% der sichtbaren Materie Sterninneres, Sternatmosphäre, interstellares Plasma Star formation in the Eagle nebula X-ray view of the sun, Yohkoh

26. Plasmen in der Geophysik Ionosphäre, Polarlicht, Blitze Aurora

27. Plasmen zur Energiegewinnung/ Lasererzeugte Plasmen

28. Plasmatechnik Schaltertechnik, Lichttechnik (90% der Lichterzeugung),Schmelzöfen, Oberflächentechnik, Plasmaantriebe Plasma spraying Plasmabogenlampe

29. Plasmen zur Energiegewinnung/ Magnetisch eingeschlossene Plasmen

30. Quasineutralität Poissongleichung 10 cm Bei Teilchendichten von bspw. 1016 m-3 bedeutet Verschiebung aller Elektronen um 10 cm Aufbau einer Spannung von ca. 2 Mio V Makroskopische (> mm ... cm) Trennung der Ladungen im Plasma nicht möglich

31. Abschirmung Lokale Verletzungen der Quasineutralität (auf mikroskopischen Skalen) -> Umgruppierung der Ladungsträger so dass Felder auf großen Skalen abgeschirmt werden Auch von außen angelegte Felder werden abgeschirmt

32. Betrachte nur kleine Störungen (ideales Plasma Epot<<Ekin): Poissongleichung (Z=1):

34. Debye-Abschirmung r << D: Coulomb-Potential r >> D: außerhalb Debye-Länge fällt Störung schnell ab

35. lD ND Fusionsplasma (10 keV, 1020m-3) 75 m 2108 Technisches Plasma (5 eV, 1017m-3) 50 m 6104 Astrophys. Plasma (1 eV, 10 m-3) 75 km 51011 Dichtes Bogenplasma (1,5 eV, 1024m-3) 0,01 m 3 =Grenze zum nicht-idealen Plasma Innerhalb der Debye-Länge kommt es zu Ladungstrennung -> Plasmen müssen groß gegen Debye-Länge sein 1 eV = 11600 K bzw. 10 keV~100 Mio0

36. Plasma-Eigenschaften ne = ni= strenge Quasineutralität L >> lD= Systemgröße groß gegen Debyelänge Ntot >> ND = hinreichend viele Teilchen im System

37. 108 Ideales klassisches Plasma ND>>1 Temperatur (K) 106 104 Ecoul Ecoul >1 <<1 Ekin Ekin nichtideales Plasma 102 103 109 1015 1021 1027 1033 Anzahldichte (gel. Teilchen / m3) Das Zustandsdiagramm

38. 108 r = e 106 104 Ecoul Ecoul >1 <<1 Ekin Ekin 102 103 109 1015 1021 1027 1033 Ideales klassisches Plasma ND>>1 Temperatur (K) entartetes Plasma nichtideales Plasma Anzahldichte (gel. Teilchen / m3)

39. 108 r = e 106 104 Ecoul Ecoul <<1 >1 Ekin Ekin 102 103 109 1015 1021 1027 1033 Ideales klassisches Plasma ND>>1 Temperatur (K) Ionisierungsenergie > therm. Energie entartetes Plasma gebundene Zustände (Atome, Moleküle, ...) nichtideales Plasma Anzahldichte (gel. Teilchen / m3)

40. Kollektive Effekte Kopplung viele Ladungsträger wegen langreichweitiger Coulomb-Wewi Plasmaschwingungen: Plasmafrequenz:

41. Dynamische Abschirmung natürliche Frequenz, mit der Elektronen gegen Ionen schwingen Plasmafrequenz: Elektronen können nur für <pe einer Störung instantan folgen und nach der Debye-Formel abschirmen, für >pe ist Abschirmung schwächer • < pe elektromagnetische Felder können nicht in gut leitfähiges Plasma eindringen und werden reflektiert (cut-off)  > pe Plasma ist transparent für elektromagnetische Strahlung fpe = 2,8 GHz für ne = 11017 [m-3] typ. Niederdruckplasma fpe = 88 GHz für ne = 11020 [m-3] typ. magn. Fusionsplasma (d.h. Vakuumwellenlängen 0 = 11 cm bzw. = 3,4 mm )

42. Elektrische Leitfähigkeit Frei bewegliche Ladungsträger, die angelegtem elektrischem Feld folgen können -> hohe Leitfähigkeit • beeinflusst durch Stöße, i. allg. konst. Driftgeschwindigkeit bei konst. E-Feld • bei sehr hohen Feldern: runaway-Elektronen

43. Ideales klassisches Plasma entartetes Plasma gebundene Zustände (Atome, Moleküle, ...) nichtideales Plasma

44. Weitere Unterscheidungsmerkmale von Plasmen Relativistisches Plasma: sehr heiße Elektronen <Ee> >> me c2 (511 keV) Thermisches Plasma: Te=Ti viele Stöße auf Einschluss-Skala (i. allg. hohe Dichte, kleine Temperatur) Magnetisiertes Plasma:c/stoss >> 1 viele Gyrationen bevor Stoß erfolgt