Физика плазмы и термоядерные реакторы

Описание: Курс знакомит студентов с основными понятиями физики плазмы и термоядерных реакторов. Рассматриваются вопросы динамики установления равновесной функции распределения. Требования к параметрам горячей плазмы для управляемого термоядерного синтеза. Схема использования термоядерной энергии в энергетическом реакторе. Сопоставление с ядерным реактором.

Количество кредитов: 5

Пререквизиты:

• Физические основы механики
• Введение в инженерное образование

Трудоемкость дисциплины:

Компонент: Компонент по выбору

Цикл: Профилирующие дисциплины

Цель

• Изучение физических основ управляемого термоядерного синтеза для приобретения знаний и навыков, требующихся в профессиональной деятельности, а также использования полученных знаний при освоении последующих профильных дисциплин.

Задача

• Ознакомить студента с современными плазменными установками и элементами их конструкции.

Результат обучения: знание и понимание

• - о физике плазмы как разделе физики, ее задачах и методах их решения; - об основных процессах переноса в плазме в магнитном поле и без него - о видах дрейфового движения частиц в плазме; - о цепной реакции деления ядер; - о способах нагрева и удержания плазмы; - об устройствах, с помощью которых получают и удерживают плазму; - о волновых процессах в плазме.

Результат обучения: применение знаний и пониманий

• - рассчитывать характеристики плазмы по заданным параметрам; - делать оценки скорости дрейфового движения частиц в плазме; - объяснить влияние магнитных полей простой конфигурации на поведение плазмы.

Результат обучения: формирование суждений

• Формирование физических представлений о закономерностях поведения плазмы в магнитном поле для применения этих знаний при работе в различных областях науки и техники.

Результат обучения: коммуникативные способности

• Углубить у обучающихся систему понятий и представлений в области оборудования и плазменной технологий.

Результат обучения: навыки обучения или способности к учебе

• Изучить теоретические и практические вопросы в области оборудования и термоядерных реакторов.

Методы преподавания

При проведении учебных занятий предусматривается использование следующих образовательных технологий: - интерактивная лекция (применение следующих активных форм обучения: ведомая (управляемая) дискуссия или беседа; модерация; демонстрация слайдов или учебных фильмов; мозговой штурм; мотивационная речь); - построение сценариев развития различных ситуаций на основе заданных условий; - информационно-коммуникационная (например, занятия в компьютерном классе с использованием профессиональных пакетов прикладных программ); - поисково-исследовательская (самостоятельная исследовательская деятельность студентов в процессе обучения); - решение учебных задач.

Оценка знаний обучающегося

Преподаватель проводит все виды работ текущего контроля и выводит соответствующую оценку текущей успеваемости обучающихся два раза в академический период. По результатам текущего контроля формируется рейтинг 1 и 2. Учебные достижения обучающегося оцениваются по 100-балльной шкале, итоговая оценка Р1 и Р2 выводится как средняя арифметическая из оценок текущей успеваемости. Оценка работы обучающегося в академическом периоде осуществляется преподавателем в соответствии с графиком сдачи заданий по дисциплине. Система контроля может сочетать письменные и устные, групповые и индивидуальные формы.

Политика оценивания результатов обучения по видам работ

Форма оценки

Итоговая оценка знаний обучающего по дисциплине осуществляется по 100 балльной системе и включает:

• 40% результата, полученного на экзамене;
• 60% результатов текущей успеваемости.

Формула подсчета итоговой оценки:

 

где, Р₁, Р₂ – цифровые эквиваленты оценок первого, второго рейтингов соответственно; Э – цифровой эквивалент оценки на экзамене.

Итоговая буквенная оценка и ее цифровой эквивалент в баллах:

Буквенная система оценки учебных достижений обучающихся, соответствующая цифровому эквиваленту по четырехбалльной системе:

Темы лекционных занятий

• Плазма, квазинейтральность плазмы, пространственный масштаб разделения зарядов, радиус Дебая, временной масштаб разделения зарядов, плазменная частота, дебаевское экранирование заряда в плазме, плазменные колебания
• Термодинамика идеального газа, температура плазмы, тепловая и кулоновская энергия плазмы, кулоновские поправки к свободной энергии и давлению плазмы, равновесная ионизация и формула Саха
• Функция распределения частиц плазмы в фазовом пространстве, кинетическое уравнение, уравнение Власова, уравнение Больцмана и модель Крука, функция распределения Максвелла и средние значения
• Частота и сечение столкновений, длина свободного пробега, понятие «столкновения» для заряженных частиц, транспортное сечение
• Дрейфовое движение, дрейф в скрещенных электромагнитных полях, дрейф в неоднородном магнитном поле, градиентный дрейф, центробежный дрейф, дрейф в переменном электрическом поле, поляризационный дрейф
• Адиабатические инварианты движения, траектории движения частиц в пробкотроне, магнитосфера Земли, примеры нарушения условий адиабатичности, магнитная накачка плазмы, циклотронный нагрев
• Явления переноса, две задачи теории переноса
• Проводимость плазмы, классическая диффузия, Бомовская диффузия, амбиполярная диффузия, диффузия в замагниченной плазме конечных размеров, эффект Саймона
• Уравнения движения, уравнение непрерывности, уравнение состояния, полная система гидродинамических уравнений для плазмы, уравнения Максвелла, приближения магнитной гидродинамики, уравнение для напряженности магнитного поля в плазме
• Ядерные реакции синтеза, кулоновский барьер, критерий Лоусона
• Устройства, основанные на пинч-эффекте, линейный Z-пинч и -пинч, условие равновесия пинча, механизм нагрева плазмы пинча, неустойчивости пинча и приемы их стабилизации
• Фазовая и групповая скорости, волновое уравнение, дисперсионное уравнение, две задачи о волновом процессе, уравнение поля для электромагнитной волны в плазме
• Период реактора
• Влияние температуры на физические параметры реактора
• Кинетика реактора в энергетических режимах работы

Основная литература

• 1. Л.А. Арцимович. Управляемые термоядерные реакции. М.. ГИФМЛ. 1961. 2. Д. Роуз, М. Кларк. Физика плазмы и управляемые термоядерные реакции.М.. Госатомиздат. 1963. 3. Д.А. Франк-Каменецкий. Лекции по физике плазмы.М.. Атомиздат. 1968. 4. Н. Кролл, А. Трайвелпис. Основы физики плазмы. М.. Мир, 1975. 5. Ф. Чен. Введение в физику плазмы. М.. Мир, 1987. 6. И.А.Котельников, Г.В. Ступаков. Лекции по физике плазмы. Новосибирск,1996

Дополнительная литература

• 1. Л.А. Арцимович. Что каждый физик должен знать о плазме. М.. Атомиздат. 1976. 2. С.Д. Коровин, В.В. Рыжов. Азбука физики плазмы. Учебное пособие, ТПУ, 2001.