Onde nei plasmi

Programma del modulo di
FISICA DEI PLASMI
per il Corso di Laurea Specialistica in Scienze per l’Ingegneria
prof. Stefano Atzeni, A.A. 2004-2005
Per ogni argomento si indica un testo che sviluppa l’argomento stesso con un approfondimento adeguato al
presente corso.
Legenda:
FFC: F. F. Chen, Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, 2nd Ed., Vol. I, Plenum Press, New
York, 1984
AMtV: S. Atzeni and J. Meyer-ter-Vehn: The Physics of Inertial Fusion, Oxford University Press, 2004
GZZ: V. E. Golant, A. P. Zilinskij, I. E. Sakharov: Fondamenti di Fisica dei Plasmi, Mir, Mosca, 1983
RD: R. Dendy (editor): Plasma Physics, An Introductory Course, Cambridge University Press, 1993
“appunti del docente”: copie (cartacee o CD-rom) degli appunti del docente, distribuite in aula
“appunti”: riferirsi agli appunti presi durante le lezioni
Definizione di plasma e parametri dei plasmi naturali e prodotti dall’uomo
 Definizione di Plasma
 Equazione di Saha per la ionizzazione in equilibrio termodinamico
 Schermatura di Debye e “quasi neutralità”
 Oscillazioni di plasma e frequenza di plasma
 Plasmi naturali e applicativi – parametri caratteristici
(plasmi ideali e non ideali; plasmi degeneri)
Plasmi e fusione termonucleare – condizioni generali
 Reazioni di fusione nucleare (con cenni a sezioni d’urto e reattività);
principali reazioni fra gli isotopi dell’idrogeno (DT, DD)
 Bilancio energetico di un plasma fusionistico in condizioni stazionarie
 Condizioni per il sostentamento delle reazioni DT: temperatura e
confinamento: temperatura ideale d’ignizione; criterio di Lawson; criterio
“nT”
 Cenni agli schemi di confinamento: magnetico e inerziale
Emissione di radiazione per bremsstrahlung
Collisioni coulombiane.
 Trattazione semiquantitativa di frequenze di collisione, liberi cammini
medi,
 Tempi di rilassamento fra particelle della stessa specie (elettroni o ioni) e di
specie diverse (elettroni e ioni)
FCC, § 1.2
FCC, § 1.1 + appunti
FCC, § 1.4
GZZ, § 1.2 (pp. 20-21)
GZZ, Fig. 1.3 (p. 28) +
FCC §1.5 – 1.7 +
appunti
AMtV, § 1.2.1, 1.3.1,
1.4.1, Fig. 1.5
AMtV, § 2.1.2 e 2.4
AMtV, § 2.2
AMtV, § 10.6.2-3
appunti del docente
Moto di particelle singole in campi elettrici e magnetici imposti
 Moto in campo magnetico uniforme: raggio di Larmor, frequenza di
ciclotrone
 Moto in campi elettrici e magnetici uniformi: deriva E X B
 Deriva gravitazionale
 Moto in campo magnetico non uniforme:
o grad B parallelo a B: specchi magnetici e primo invariante adiabatico
o grad B ortogonale a B (deriva grad B)
 Moto in campo B uniforme ed E non uniforme: effetto del raggio di Larmor
finito
Teoria cinetica, modelli fluidi, modelli MHD
 Equazione di Boltzmann ed equazione di Vlasov
 Momenti dell’equazione di Boltzmann e modello fluido
 Il sistema delle equazioni per un plasma “singolo fluido” e le equazioni
della magnetoidrodinamica (MHD)
 Resistività: relazione con frequenza di collisione, dipendenza da densità e
temperatura
 Discussione della legge di Ohm generalizzata; limiti ed applicabilità
dell’approssimazione MHD
FCC, § 2.2
FCC, § 2.3
FCC, § 2.4
appunti del docente
(per approfondimenti
vedi J. A. Elliot:
“Plasma kinetic
theory”, in RD, pp. 29 –
53)
appunti
 Discussione qualitativa dei coefficienti di trasporto in presenza di campi
magnetici

Prime applicazioni dei modelli fluidi:
o
deriva diamagnetica e corrente diamagnetica
o
deriva parallela a B e relazione di Boltzmann per la densità
elettronica
Onde nei plasmi
 Oscillazioni di plasma
 Onde elettroniche di plasma (Bohm-Gross)
 Onde ioniche-acustiche
 Propagazione di onde elettromagnetiche in plasmi non magnetizzati
 Relazione di dispersione; limite non collisionale: discussione: cut-off e
densità critica; rifrazione; esempi: riflessione delle onde medie nella
ionosfera; black-out al rientro nell’atmosfera.
 Assorbimento collisionale: bremsstrahlung inversa, coefficiente di
assorbimento;
 Aplicazioni all’interazione laser-plasma; regimi di assorbimento
 Interazione laser – bersaglio solido: ablazione e pressione ablativa; modello
stazionario di Caruso-Gratton; discussione; esempi
FCC, §3.4, fino a p.71
FCC, § 3.5
FCC, § 4.3
FCC, § 4.4, fino a p88
FCC, § 4.6 – 4.8
appunti del docente
appunti del docente
appunti del docente e
S. Atzeni: “Introduction
to laser-plasma
interactions”, in Atoms,
Solids, and Plasmas in
Super-Intense Laser
Fields (ed. by Batani et
al., Kluwer/Plenum.
2001), pp. 119 – 144
(studiare fino a p. 128;
leggere pp. 129 – 131)
Introduzione alla fusione a confinamento inerziale
 Requisiti essenziali: ignizione localizzata e compressione
 Fusione inerziale tramite implosione indotta da laser; illustrazione tramite
simulazioni 1D e 2D, parametri di massima; esempi
 Modello di plasma-fluido “a due temperature”
 Cenni ai modelli di simulazione fluida per fusione inerziale
 Cenni ai sistemi laser di potenza per ricerca fusionistica
Cenni sui plasmi confinati magneticamente e sulla fusione a confinamento
magnetico
 Equilibrio MHD ideale; proprietà generali
 Zeta-pinch e Teta pinch, cenni all’equazione di Bennet
 Il tokamak: cenni alla configurazione magnetica; proprietà generali;
dimensionamento di massima di un reattore a fusione; stato delle
ricerche
AMtV, § 2.5 e 2.6
AMtV, § 3.1 e 3.2,
oppure appunti su CDrom (lezione SNFM
2004)
appunti
(fuori programma; per
eventuali
approfondimenti vedi
CCP2004 su CD-rom)
FCC, § 6.2
appunti del docente
J. Wesson: Tokamaks,
Oxford University
Press, 2004, § 1.6, 1.7
Cenni sulle instabilità MHD
 Classificazione delle instabilità MHD
FCC, § 6.5
 Cenni sull’instabilità di Rayleigh-Taylor MHD e fluida (con esempi relativi appunti; vedi anche
alla fusione inerziale)
FCC, § 6.7; per
eventuali
approfondimenti vedi
AMtV (Ch. 8) oppure
Atzeni, lezioni di Erice
2003 (su CD-rom)
S.A. 17.12.2004