Física (plan 2002) 2023-1

Optativas, Fusión Nuclear Controlada

El salón asignado es el 102 del Nuevo Edificio, con capacidad para 30 personas, en el horario indicado, sábados de 10 a 13 horas.

Aquellos interesados, favor de enviar un mensaje a herrera@correo.nucleares.unam.mx
Por otra parte, el enlace que se empleará para classroom es: https://classroom.google.com/c/NTM1ODYyMzg4ODY2?cjc=qqjdnjv

Requisitos:
Indispensables: Los cuatro cursos de cálculo y Electromagnetismo I
Recomendables: Ecuaciones diferenciales y Electromagnetismo II

El curso será los sábados de 10:00 a 13:00. La primera clase será el 20 de agosto.

Las evaluaciones se harán 100% mediante tareas semanales. Se darán instrucciones al respecto a los estudiantes inscritos.

1. Las primeras dos semanas se hará mediante Power Point una presentación introductoria del estado de la energía nuclear en general y de la fusión nuclear controlada en particular.

2. Una vez hecha la presentación introductoria se darán los elementos necesarios de física de plasmas para comprender los modelos fundamentales de los plasmas de fusión nuclear en confinamiento magnético e inercial. Se repartirán por correo electrónico notas manuscritas sobre cada presentación, y se ilustrarán algunos puntos seleccionando videos de la lista de YouTube: https://www.youtube.com/channel/UCM91JfbMXvtwKYNQAVl0YuQ/playlists

Creditos: 6 (Tres horas por semana en modalidad presencial).

Modo de calificar: 100% por tareas semanales.

Objetivo

Familiarizar al estudiante con los diversos problemas relativos al desarrollo de reactores de fusión nuclear controlada. El curso se concentra en el estudio de plasmas confinados magnéticamente, siendo este un campo bien desarrollado, y no clasificado. Se presentan los principales conceptos de confinamiento, tales como el tokamak, el pinch de campo invertido, y el stellarator.

1.Fusión Nuclear
Demanda de energía y recursos.
Fisión y fusión nuclear.
Condiciones de Lawson y de Ignición.

2. Introducción a los plasmas clásicos.
Plasmas en la naturaleza.
Definición de plasmas.
Concepto de temperatura.
Apantallamiento de Debye.
Parámetro de plasma.
Criterios que debe cumplir el plasma.

3. Movimiento de partícula independiente
Deriva EXB
Deriva grad B
Deriva por curvatura.
Deriva por polarización.
Momento magnético.
Invariantes adiabáticos.
Espejos magnéticos.

4. Configuración Toroidal
Representación del campo magnético (Naturaleza hamiltoniana del campo magnético).
Superficies de campo magnético.
Destrucción de superficies de campo magnético.
El mapeo standard.

5. Modelos de plasma
El modelo cinético (Ecuación de Vlasov).
Ecuaciones de multifluídos como momentos de la ecuación de Vlasov.
Ecuaciones magnetohidrodinámicas (MHD) como aproximación de las ecuaciones de multifluidos.
Forma conservativa de las ecuaciones MHD y constricciones magnetohidrodinámicas.
Números de Reynolds, Reynolds magnético y Péclet.
Consecuencias de la aproximación MHD; Difusión vs congelamiento del campo magnético.

6. Equilibrios
Equilibrio en sistemas cilíndricos (z-pinch).
Equilibrio toroidal axisimétrico (Tokamaks, pinch de campo invertido y esferomaks).
Equilibrio toroidal tridimensional (stellerators).

7. Ondas en el modelo de fluidos
Constante dieléctrica de un plasma fluido sin campo (E=B=0).
Oscilación de plasma.
Ondas de espacio - carga en plasmas calientes.
Ondas planas en plasmas fríos.
Reflexión de ondas electromagnéticas por un plasma.
Método de transmisión de microondas para medir propiedades del plasma.
Tensor dieléctrico de un plasma frío magnetizado e(w).
Ondas planas que propagan paralela y perpendicularmente al campo magnético en un plasma frío magnetizado. (Resonancias, frecuencias de corte y casos límite. Rotación de Faraday. Ondas de Alfvén y magnetoacústicas).

8. Estabilidad Magnetohidrodinámica
Inestabilidades en plasmas cilíndricos.
Condición de Kruskal- Shafranov.
Estabilidad de modos locales en sistemas toroidales.
Inestabilidades resistivas.
Modos de globo (balloning modes).

9. Calentamiento y alimentación.
Calentamiento resistivo.
Compresión adiabática.
Inyección de haces neutros.
Calentamiento por radiofrecuencia.
Calentamiento de partículas alfa.
Alimentación de combustible.

10. Pérdidas por radiación.
Campos de radiación.
Bremsstrahlung.
Emisión de ciclotrón.
Radiación por impurezas.

Bibliografía Básica

Física de Plasmas
Bellan, P. M. , Fundamentals of Plasma Physics, Cambridge University Press, 2006.
Goldstone, R.J., Rutherford, P.H., Introduction to plasma physics, Institute of Physics Publ., Bristol, 1995.
Nicholson, D.R., Introduction to plasma theory, Wiley, N.Y., 1983.
Bittencourt, J.A., Fundamentals of Plasma Physics, Springer-Verlag, N.Y. 2004.
Chen, F.F., Introduction to Plasma Physics, Springer International Publishing, Suiza, 2016.

Fusión Nuclear
McCracken, G. y Stott, P., Fusion: The Energy of the Universe, Elsevier, Amsterdam, 2005.
Fusion Physics, Ed. M. Kikuchi, K. Lackner, M.Q. Tran, IAEA, Viena, 2012.
www-pub.iaea.org/books/IAEABooks/8879/Fusion-Physics
Chen, F. F., An Indispensable Truth: How Fusion Power can Save the Planet, Springer Verlag, New York, 2011.
White, R.B. The Theory of Toroidally Confined Plasmas, Imperial College Press, Londres, 2001

Recursos de video
https://www.youtube.com/channel/UCM91JfbMXvtwKYNQAVl0YuQ/playlistsrá

A lo largo del curso se recomendarán artículos.