A plazmaállapot + és – tötésekből álló semleges gáz

Az előadások a következő témára: "A plazmaállapot + és – tötésekből álló semleges gáz"— Előadás másolata:

1 A plazmaállapot + és – tötésekből álló semleges gáz A részecskék közötti kcshatás jelentős A Debye-sugáron belül sok részecske található A Debye-sugár kicsi a plazma méreteihez képest Az elektron-kcsh erősebb, mint az e-> töltetlen részecske kcsh

2 A Tycho-szupernova. 1572ben Tycho Brahe megfigyelt egy felrobbanó csillagot. 400 évvel később egy többmillió fokos buborék látható (zöld és kék a fényképen) egy gyorsabban mozgó nagyenergiájú elektronfelhőben (kék a fényképen)

3 Plazmák

4 Tipikus plazma paraméter tartományok: orders of magnitude (OOM)
Jellemző Földi plazmák Kozmikus plazmák Méret m 10−6 m (lab plasmas) to 10² m (villám) (~8 OOM) 10−6 m (űrhajó burkolat) m (intergalaktikus köd) (~31 OOM) Élettartam s 10−12 s (laser-plazma) s (fluoreszcens fény) (~19 OOM) 101 s (napkitörés) s (intergalaktikus plazma) (~17 OOM) Sűrűség 1/m3 107 m-3 to 1032 m-3 (inertial confinement plasma) 100 (i.e., 1) m-3 (intergalactic medium) to 1030 m-3 (stellar core) Hőmérséklet Ko ~0 K (crystalline non-neutral plasma) to 108 K (magnetic fusion plasma) 10² K (sarki fény) K (Nap belseje) Mágneses tér Tesla 10−4 T (lab plasma) to 10³ T (pulsed-power plasma) 10−12 T (intergalaktikus anyag) T (neutron csillagok körül)

5 További plazmajellemzők
Ionizáció foka: ni/(na+ni) Elektronsűrűség: Zni Hőmérséklet: a kinetikus energia jellemzésére (egyensúly—elektronok-ionok, elektron- és ion hőm.?) Termikus plazma: elektron- és ionhőm. Azonos Hőmérséklet és ionizáció (Saha-egyenlet)

6 2. Magfizikai alapok 2.1. Kötési energia

7 2H + 2H3H + 1H MeV 2H + 3H4He +n MeV 2H + 2H3He + n MeV Pozitív energiamérleg, kis 2H energia 7Li + 2H 8Be +n MeV (100keV) esetén is kapunk neutronokat. 9Be + 2H10B + n MeV Coulomb-gát nagysága kb. 0.1 MeV (ekkor a hatáskeresztmetszet 3-4 nagyságrenddel nagyobb, mint 100 keV-en) 2.2. A fúzió energiamérlege A termonukleáris reakció önfenntartó, ha az energiamérleg nem negatív. Termelés: ütközések során, magreakcióból Ütközések száma: N(E)dE=n(E)dEs(E)v; Botzmann-eloszlás esetén Ezt a sebességgel szorozva

8 Következik s(E) becslése
Következik s(E) becslése. Born-közelítésben (l=0)egy töltött részecske áthatolását a Coulomb-potenciálon Itt b a magreakciótól függő állandó, DD reakció esetén b45.8 keV. Ennek maximuma van E=Em~T2/3-nál. Ha az N(E) görbét Gauss-görbének vesszük, amelynek félérték-szélessége DE, az integrálás zárt alakban elvégezhető:

9 Az időegységenkénti üközések száma arányos a reakcióban szereplő részecskék sűrűségével (n1 és n2). Ha egy ütközésben Q energia szabadul fel, akkor az energiatermelés nagysága Térjünk át az energiaveszteségekre. Kezdjük a sugárzási veszteséggel. A Stefan-Boltzmann-képlet nem alkalmazható, mert az csak csillagászati méretekre (vagy a test belsejéből ki nem jutó) sugárzásra érvényes. Itt a plazma átlátszó a maximum körüli hőmérséklethez tartozó lágy röntgensu-gárzás számára.

10 Becsüljük a vezsteséget az elektrodinamika alapján
Becsüljük a vezsteséget az elektrodinamika alapján. A plazma részecskéi Coulomb-erő hatására gyorsulnak és sugároznak. A gyorsulás nagysága A kisugárzott energia a gyorsulás négyzetével arányos. Az összes kisugárzott energia Az alsó határra a határozatlansági elvből kell az elektron hullámhosszát venni:

11 amivel az egyetlen mag terében elsugárzott energia. Továbbá, Ha az ionokat is figyelembe vesszük, Z töltéssel: Plazmát akkor lehet létrehozni, ha a megtermelt energia kiegyenlíti a Veszteségeket. Ez kb. 20 milló K. (A Coulomb-gát legyőzéséből 108 K jön ki.)

12 2.2 Plazmafűtés Kezdetben fel kell fűteni, később az elveszett energiát kell pótolni. Három módról beszélünk: 1, Ohmikus fűtés: a plazma vezető, ha áram folyik keresztül, hő fejlődik. 2, Semleges atomok injektálása: nagyenergiájú, semleges atomok ionizálódnak, energiájukat átadják a plazmának. (A semleges atomokat plazmából nyerik…) 3, Radiofrekvenciás fűtés: bizonyos frekvenciájú hullámoktól (30-50 MHz az ionok, MHz az elektronok) energiát tud nyerni a plazma. Instabilitások!

13 Antenna plazma RF fűtéséhez
Girotron, 1 MW folytonos elektromágnese fűtés

14 2.3. Plazma-fal kölcsönhatás
A fal hőterhelése kb. 20 MW/m2. A divertor feladata leárnyékolni a többi berendezést a hőtől. Blanket-modul: a neutronok lassítása, az energiaveszteségek csökkentése Komoly mérnöki problémák

15 A fehér foltokban van fal-plazma kcsh
ITER divertor modellje

16 1.3. Nyalábdiagnosztika A hőmérsékletet, a sűrűséget és a szennyezők koncentrációját kell mérni. Foton-plazma kcsh alapján: lézerfény szóródását mérik. Ez az elektron sebességét (Doppler), a szórt fény intenzitása a sűrűséget jellemzi. A szennyezők koncentrációját a gerjesztéskor leadott UV sugárzás intenzitásából lehet meghatározni. Atomnyaláb belövése: a gerjesztett állapot lebomlásakor kibocsátott fény intenzitása jellemző a lokális hőmérsékletre, sűrűségre.

17

18 ITER diagnosztika

19 Az ITER berendezés vázlata
DT reakció 108 K hőmérséklet Ohmikus fűtés Kiegészítő fűtés atomnyaláb és RF fűtéssel Mágneses összetartás Melléktermék: n védelem