Fisica dei plasmi e della fusione controllata
A.A. 2024/2025
Obiettivi formativi
Preparazione di base su aspetti fenomenologici, modelli teorici e metodi sperimentali in fisica dei plasmi, che permettono di affrontare problemi specifici in campo astrofisico, nell'ambito della fusione termonucleare controllata e nei processi tecnologici basati sui plasmi.
Risultati apprendimento attesi
Alla fine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di:
- definire lo stato di plasma, fornire esempi di diversi tipi di plasma e spiegare i parametri che li caratterizzano;
- analizzare la dinamica di particelle cariche in campi elettrici e magnetici;
- distinguere l'approccio a singola particella, l'approccio fluido e l'approccio cinetico statistico per descrivere i diversi fenomeni nei plasmI;
- spiegare il concetto di cutoff e risonanza e descrivere vari tipi di onde nei plasmi;
- discutere l'interazione tra particelle e onde;
- discutere le applicazioni tecniche dei plasmi e spiegare i metodi più importanti per la produzione e la diagnostica dei plasmi in laboratorio;
- dimostrare una comprensione dei principi di confinamento in una configurazione toroidale del campo magnetico e descrivere i principi di base di funzionamento di un tokamak;
- spiegare l'uso della fusione termonucleare per la produzione di energia, discutere i problemi di confinamento del plasma e le attuali direzioni di ricerca;
- dimostrare una comprensione dei processi relativi ai plasmi nell'ambiente vicino alla Terra, lo spazio interplanetario e gli oggetti astrofisici.
- definire lo stato di plasma, fornire esempi di diversi tipi di plasma e spiegare i parametri che li caratterizzano;
- analizzare la dinamica di particelle cariche in campi elettrici e magnetici;
- distinguere l'approccio a singola particella, l'approccio fluido e l'approccio cinetico statistico per descrivere i diversi fenomeni nei plasmI;
- spiegare il concetto di cutoff e risonanza e descrivere vari tipi di onde nei plasmi;
- discutere l'interazione tra particelle e onde;
- discutere le applicazioni tecniche dei plasmi e spiegare i metodi più importanti per la produzione e la diagnostica dei plasmi in laboratorio;
- dimostrare una comprensione dei principi di confinamento in una configurazione toroidale del campo magnetico e descrivere i principi di base di funzionamento di un tokamak;
- spiegare l'uso della fusione termonucleare per la produzione di energia, discutere i problemi di confinamento del plasma e le attuali direzioni di ricerca;
- dimostrare una comprensione dei processi relativi ai plasmi nell'ambiente vicino alla Terra, lo spazio interplanetario e gli oggetti astrofisici.
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
Plasmi in natura e in laboratorio. Parametri di base e scale di lunghezza e di frequenza tipiche di un plasma, quasi-neutralità, effetto di schermatura di Debye.
Moto di particelle cariche in campi elettrici e magnetici non uniformi; deriva magnetica, inerziale e di polarizzazione. Invarianti adiabatici. Specchi magnetici. Moto di particelle cariche nel campo magnetico di un Tokamak. Cenni ai metodi di accelerazione al plasma. Fasce di radiazione di Van Allen e moto di particelle cariche nel campo magnetico terrestre.
Descrizione cinetica del plasma, equazione di Vlasov ed equazione di Fokker-Planck. Momenti della funzione di distribuzione, derivazione delle equazioni fluide. Procedura di Chapman ed Enskog di chiusura delle equazioni fluide, equazioni di Braginskii e loro casi limite: equazioni di plasma freddo ed equazioni magnetoidrodinamiche (MHD).
Propagazione di onde in un plasma freddo omogeneo. Approssimazione WKB per la propagazione di onde in un plasma non omogeneo. Equazioni di ray-tracing, propagazione di onde radio nella ionosfera. Cenni alla propagazione di onde in un plasma nell'approccio cinetico, smorzamento di Landau. Emissione di radiazione da un plasma: Bremsstrahlung e radiazione di ciclotrone. Equazione del trasporto della radiazione.
La magnetoidrodinamica ideale, congelamento del flusso magnetico. Onde magnetoidrodinamiche. Esempi di stati di equibrio MHD, l'equazione di Grad-Shafranov per equilibri statici assisimmetrici. Corona solare: modello statico di Chapman e modello dinamico di Parker (vento solare). Esempi di instabilità MHD, principio dell'energia. Cenni alla magnetoidrodinamica non ideale e alla riconnessione magnetica.
Reazioni di fusione nucleare. Condizioni di ignizione e criterio di Lawson. Sistemi a confinamento magnetico ed inerziale. Stato dell'arte delle ricerche sulla fusione termonucleare controllata.
Moto di particelle cariche in campi elettrici e magnetici non uniformi; deriva magnetica, inerziale e di polarizzazione. Invarianti adiabatici. Specchi magnetici. Moto di particelle cariche nel campo magnetico di un Tokamak. Cenni ai metodi di accelerazione al plasma. Fasce di radiazione di Van Allen e moto di particelle cariche nel campo magnetico terrestre.
Descrizione cinetica del plasma, equazione di Vlasov ed equazione di Fokker-Planck. Momenti della funzione di distribuzione, derivazione delle equazioni fluide. Procedura di Chapman ed Enskog di chiusura delle equazioni fluide, equazioni di Braginskii e loro casi limite: equazioni di plasma freddo ed equazioni magnetoidrodinamiche (MHD).
Propagazione di onde in un plasma freddo omogeneo. Approssimazione WKB per la propagazione di onde in un plasma non omogeneo. Equazioni di ray-tracing, propagazione di onde radio nella ionosfera. Cenni alla propagazione di onde in un plasma nell'approccio cinetico, smorzamento di Landau. Emissione di radiazione da un plasma: Bremsstrahlung e radiazione di ciclotrone. Equazione del trasporto della radiazione.
La magnetoidrodinamica ideale, congelamento del flusso magnetico. Onde magnetoidrodinamiche. Esempi di stati di equibrio MHD, l'equazione di Grad-Shafranov per equilibri statici assisimmetrici. Corona solare: modello statico di Chapman e modello dinamico di Parker (vento solare). Esempi di instabilità MHD, principio dell'energia. Cenni alla magnetoidrodinamica non ideale e alla riconnessione magnetica.
Reazioni di fusione nucleare. Condizioni di ignizione e criterio di Lawson. Sistemi a confinamento magnetico ed inerziale. Stato dell'arte delle ricerche sulla fusione termonucleare controllata.
Prerequisiti
Conoscenza dei concetti e dei metodi introdotti nella Laurea Triennale in Fisica, in particolare negli insegnamenti di Meccanica Classica, Elettromagnetismo e Analisi Matematica.
Metodi didattici
Lezioni frontali, con uso di lavagna e slides.
Materiale di riferimento
R. Fitzpatrick, "Plasma Physics - An Introduction", Taylor & Francis Ltd, 2022
P. M. Bellan, "Fundamentals of Plasma Physics", Cambridge University Press, 2006
F. F. Chen, "Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion", 3rd ed., Springer, 2016
J. P. Freidberg, "Plasma physics and fusion energy", Cambridge University Press, 2007
W. M. Stacey, "Fusion plasma physics", Wiley, 2005
R. M. Kulsrud, "Plasma physics for astrophysics", Princeton University Press, 2005
C. Chiuderi e M. Velli, "Fisica del plasma: fondamenti e applicazioni astrofisiche", Springer, 2012
Appunti sulla piattaforma Ariel
P. M. Bellan, "Fundamentals of Plasma Physics", Cambridge University Press, 2006
F. F. Chen, "Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion", 3rd ed., Springer, 2016
J. P. Freidberg, "Plasma physics and fusion energy", Cambridge University Press, 2007
W. M. Stacey, "Fusion plasma physics", Wiley, 2005
R. M. Kulsrud, "Plasma physics for astrophysics", Princeton University Press, 2005
C. Chiuderi e M. Velli, "Fisica del plasma: fondamenti e applicazioni astrofisiche", Springer, 2012
Appunti sulla piattaforma Ariel
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
Esame orale con domande sugli argomenti trattati a lezione, per verificare se gli obiettivi dell'insegnamento sono stati raggiunti e lo studente ha acquisito le nozioni fondamentali della materia.
Docente/i
Ricevimento:
Venerdì, 9:30-12:30 (su appuntamento)
ufficio presso Dipartimento di Fisica