Topic outline

  • General

    Φυσική Πλάσματος

    Διδάσκων : Γ.Ν. Θουρμουλόπουλος

    Περιγραφή μαθήματος : 

    Πλάσμα είναι ένα ιονισμένο αέριο που χαρακτηρίζεται ως η τέταρτη κατάσταση της ύλης και αποτελεί ποσοστό  90 % της ορατής ύλης του σύμπαντος. Η Φυσική πλάσματος συνδέεται με ευρείες εφαρμογές η σημαντικότερη από τις οποίες είναι η ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη, η επιτυχής έκβαση  της οποίας θα συνεπάγεται πλήρη κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του πλανήτη μας.  Το επίπεδο του μαθήματος είναι εισαγωγικό και περιλαμβάνει βασικές έννοιες και ορισμούς, κίνηση φορτισμένων σωματίων σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία, θεωρίες περιγραφής του πλάσματος, κυματικά φαινόμενα, ισορροπία και ευστάθεια και την ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη με ενημέρωση με απλό τρόπο σε τρέχοντα ερευνητικά θέματα. Προϋποθέτει γνώσεις γενικής φυσικής, ηλεκτρομαγνητισμού, κυμάνσεων και βασικών μαθηματικών και περιλαμβάνει ασκήσεις και προβλήματα.

    Μαθησιακοί στόχοι μαθήματος :

    Το μάθημα έχει ως στόχο να εφοδιάσει τους φοιτητές με ένα βασικό  υπόβαθρο στην φυσική πλάσματος και την ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη και να τους ενημερώσει σε σχετικά τρέχοντα ερευνητικά  θέματα.

     Λέξεις κλειδιά :

    πλάσμα, θωράκιση  Debye, θερμοκρασία και πυκνότητα, ηλεκτομαγνητικά πεδία, εξισώσεις ρευστών, μαγνητοϋδροδυναμική, εξισώσεις Boltzmann  και Vlasov,  ηλεκτρομαγνητικά κύματα,  απόσβεση Landau, ισορροπία, ευστάθεια,  μαγνητικός και αδρανειακός περιορισμός, κριτήριο Lawson,  tokamak

  • 1 - Εισαγωγή

    Περιγραφή θεματικής ενότητας : Βασικές έννοιες και ορισμοί στη Φυσική Πλάσματος.  Πλάσμα στη φύση.  Θερμοκρασία  πλάσματος σε θερμική ισορροπία. Κατανομές  Maxwell και Fermi-Dirac. Θωράκιση Debye, οινονεί-ουδετερότητα, παράμετρος πλάσματος. Κριτήρια για το χαρακτηρισμο ιονισμένου αερίου ως πλάσμα.

    Λέξεις κλειδιά : ιονισμός,  εξίσωση Saha,  θερμοκρασία,  οινονεί-ουδετερότητα,  συλλογική συμπεριφορά,  κλασικό πλάσμα, φερμιονικό πλάσμα, μήκος Debye

  • 2 - Κίνηση Φορτισμένων Σωματιδίων

    Περιγραφή θεματικής ενότητας : Γυροκίνηση Larmor. Μετάπτωση Larmor σε συνδιασμό σταθερών ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίων.  Κίνηση σε ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο. Κίνηση σε ανομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο. Κίνηση σε χρονικά μεταταβαλλόμενα πεδία. Αδιαβατική συμπίεση και θέρμαση πλάσματος.

    Λέξεις κλειδιά : γυροσυχνότητα, ακτίνα Larmor, κέντρα καθοδήγησης,  μαγνητική ροπή, διαμαγνητισμός, μαγνητικός ανακλαστήρας, φαινόμενα πεπερασμένης ακτίνας Larmor 

  • 3 - Μοντέλα περιγραφής πλάσματος

    Περιγραφή θεματικής ενότητας : Μοντέλα (θεωρίες)  ανεξάρτητων σωματιδίων,  δύο ρευστών,  μαγνητουδροδυναμικής. Μεταπτώσεις με βαθμίδα πίεσης παράλληλα και κάθετα στο μαγνητικό πεδίο, διαμαγνητικό ρεύμα.  Κινητική θεωρία και εξίσωση Vlasov.  Παραγωγή εξισώσεων ρευστών από την εξίσωση Boltzmann.

    Λέξεις κλειδιά : πυκνότητα,  θερμοκρασία, "κρύο" και  θερμό πλάσμα, εξισώσεις ρευστών, μανητοϋδροδυναμική (ΜΥΔ), εξισώσεις Vlasov, Boltzmann και Fokker-Planck

  • 4 - Κύματα στο πλάσμα

    Περιγραφή θεματικής ενότητας : Κύματα στα πλαίσια του ΜΥΔ μοντέλου, κύματα Alfvén και μαγνητοακουστικά.   Κύματα στα πλαίσια του μοντέλου των δύο ρευστών: ταλαντώσεις πλάσματος, ηλεκτρονικά κύματα, ιοντικά κύματα, ηλεκτρομαγνητικά κύματα απουσία αδιατάραχτου μαγνητικού πεδίου. Απόσβεση Landau.

    Λέξεις κλειδιά : φασική και ομαδική ταχύτητα, σχέση διασποράς, συχνότητα πλάσματος,  φαινόμενο αποκοπής, απόσβεση Landau

  • 5 - Ισορροπία και ευστάθεια

    Περιγραφή θεματικής ενότητας : Εισαγωγική περιγραφή ισορροπίας και ευστάθειας. Εξισώσεις στατικής ΜΥΔ ισορροπίας, ιδιότητες ΜΥΔ ισορροπίας, διαμαγνητισμός. Σφιγκτήρες zeta και theta, tokamak. Εξίσωση Grad-Shafranov. Είδη ασταθειών, γραμμικές αστάθειες. Αστάθειες δύο δεσμών και ανταλλαγής (Rayleigh-Taylor).

    Λέξεις κλειδιά : τύποι ισορροπίας, ΜΥΔ ισορροπία, μαγνητικές επιφάνειες, παράμετρος β, ροή πλάσματος, tokamak,  ρυθμός αύξησης αστάθειας (growth rate)

  • 6 - Εισαγωγή στην ελεγχόμενη σύντηξη

    Περιγραφή θεματικής ενότητας : Ενεργειακό πρόβλημα και ελεγχόμενη σύντηξη. Συνθήκες για την επίτευξη ελεγχόμενης  σύντηξης,  μαγνητικός περιορισμός,  αδρανειακός  περιορισμός  (laser fusion).  Αναγκαιότητα ελίκωσης του μαγνητικού πεδίου. Περιγραφή συστημάτων μαγνητικού περιορισμού, tokamak, stellarator.  Αστάθειες πίεσης και ρεύματος. Σύντηξη με laser. Θέρμανση και τεχνολογία πλάσματος.

    Λέξεις κλειδιά : σύντηξη, δευτέριο, τρίτιο, κριτήριο Lawson, κριτήριο  ανάφλεξης, περιορισμός πλάσματος,  μαγνητικά πεδία, laser,  παράμετρος β, παράγοντας ασφάλειας, όριο Kruskal-Shafranov, αντιδραστήρας

  • Βιβλιογραφία

    • Γ. Παντής και Γ.Ν. Θουρμουλόπουλος, " Εισαγωγή στη Φυσική Πλάσματος", Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, (1991)
    • Κ.Ε. Αλυσσανδράκης, "Εισαγωγή στη Φυσική Πλάσματος, Πανεπιστήμιο Αθηνών, (1993)
    • Βλάχος Λουκάς, "Φυσική του πλάσματος", ΕΚΔΟΣΕΙΣ Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Α.Ε. (1η έκδ./2000)
    • F.F. Chen, Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion (second edition),
      Plennum Press, New York and London, 1984
    • R.A. Cairns, Plasma Physics, Blackie, Glaskow and London, 1985
    • R.J. Goldston and P. H. Rutherford, Introduction to Plasma Physics, Institute of
      Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 1995