Modelado de plasma

format_list_bulleted Contenido keyboard_arrow_down

ImprimirCitar

El modelado de plasma se refiere a la solución de ecuaciones de movimiento que describen el estado de un plasma. Generalmente se combina con las ecuaciones de Maxwell para campos electromagnéticos o la ecuación de Poisson para campos electrostáticos. Existen varios tipos principales de modelos de plasma: de una sola partícula, cinético, de fluidos, híbrido cinético/fluídico, girocinético y como sistema de muchas partículas.

Descripción de una partícula

El modelo de partícula única describe el plasma como electrones e iones individuales que se mueven en campos eléctricos y magnéticos impuestos (en lugar de autoconsistentes). El movimiento de cada partícula se describe así mediante la Ley de Fuerza de Lorentz. En muchos casos de interés práctico, este movimiento puede considerarse como la superposición de un movimiento circular relativamente rápido alrededor de un punto llamado centro guía y una deriva relativamente lenta de este punto.

Descripción cinética

El modelo cinético es la forma más fundamental de describir un plasma, produciendo como resultado una función de distribución

f({\vec {x},{\vec {v},t)

donde las variables independientes ${\vec {x}$ y ${\vec}$ son posición y velocidad, respectivamente. Una descripción cinética se logra mediante la resolución de la ecuación Boltzmann o, cuando es necesaria la descripción correcta de la interacción de Coulomb de largo alcance, por la ecuación Vlasov que contiene campo electromagnético colectivo autoconsistente, o por la ecuación Fokker-Planck, en la que se han utilizado aproximaciones para derivar términos de colisión manejable. Las cargas y corrientes producidas por las funciones de distribución determinan de forma autónoma los campos electromagnéticos a través de las ecuaciones de Maxwell.

Descripción fluida

Para reducir las complejidades en la descripción cinética, el modelo de fluido describe el plasma basándose en magnitudes macroscópicas (momentos de velocidad de la distribución, como densidad, velocidad media y energía media). Las ecuaciones para magnitudes macroscópicas, llamadas ecuaciones de fluido, se obtienen tomando los momentos de velocidad de la ecuación de Boltzmann o la ecuación de Vlasov. Las ecuaciones de fluido no se cierran sin la determinación de coeficientes de transporte, como movilidad, coeficiente de difusión, frecuencias de colisión promedio, etc. Para determinar los coeficientes de transporte, se debe suponer/elegir la función de distribución de velocidad. Pero esta suposición puede provocar que no se capten algunos aspectos físicos.

Descripción híbrida cinética/fluida

Aunque el modelo cinético describe la física con precisión, es más complejo (y en el caso de las simulaciones numéricas, requiere más recursos computacionales) que el modelo de fluidos. El modelo híbrido es una combinación de modelos cinéticos y de fluidos, que trata algunos componentes del sistema como un fluido y otros como un fluido cinético. El modelo híbrido se aplica a veces en física espacial, cuando el dominio de simulación excede miles de escalas de radio de giro de iones, lo que hace que sea poco práctico resolver ecuaciones cinéticas para electrones. En este enfoque, las ecuaciones de fluidos magnetohidrodinámicos describen electrones, mientras que la ecuación cinética de Vlasov describe iones.

Descripción girocinética

En el modelo girocinético, que es apropiado para sistemas con un fuerte campo magnético de fondo, las ecuaciones cinéticas se promedian sobre el movimiento circular rápido del radio de giro. Este modelo se ha utilizado ampliamente para la simulación de inestabilidades del plasma del tokamak (por ejemplo, los códigos electromagnéticos GYRO y Gyrokinetic) y, más recientemente, en aplicaciones astrofísicas.

Métodos mecánicos cuánticos

Los métodos cuánticos aún no son muy comunes en el modelado de plasma. Se pueden utilizar para resolver problemas de modelado únicos, como situaciones en las que otros métodos no se aplican. Implican la aplicación de la teoría cuántica de campos al plasma. En estos casos, los campos eléctricos y magnéticos creados por partículas se modelan como un campo; una red de fuerzas. Las partículas que se mueven o que son eliminadas de la población empujan y tiran de esta red de fuerzas, este campo. El tratamiento matemático para esto implica matemáticas lagrangianas.

El modelado colisional-radiativo se utiliza para calcular las densidades de estados cuánticos y las propiedades de emisión/absorción de un plasma. Esta física de la radiación del plasma es fundamental para el diagnóstico y la simulación del plasma astrofísico y de fusión nuclear. Es uno de los enfoques más generales y se encuentra entre los extremos de un equilibrio térmico local y una imagen coronal. En un equilibrio térmico local, la población de estados excitados se distribuye de acuerdo con una distribución de Boltzmann. Sin embargo, esto solo se cumple si las densidades son lo suficientemente altas como para que un átomo de hidrógeno excitado experimente muchas colisiones de manera que la energía se distribuya antes de que se inicie el proceso radiativo. En una imagen coronal, la escala de tiempo del proceso radiativo es pequeña en comparación con las colisiones, ya que las densidades son muy pequeñas. El uso del término equilibrio coronal es ambiguo y también puede referirse al equilibrio de ionización sin transporte de la recombinación y la ionización. Lo único que tienen en común es que un equilibrio coronal no es suficiente para el plasma tokamak.

Códigos de modelado de física de plasma comercial

Quantemol-VT
VizGlow
VizSpark
CFD-ACE+
COMSOL
LSP
Magia
Starfish
USim
VSim
STAR-CCM+

Véase también

Partícula en celda

Referencias

^ Pokhotelov, D.; von Alfthan, S.; Kempf, Y.; et al. (2013). "Distribuciones directas aguas arriba y aguas abajo del choque del arco de la Tierra: Primeros resultados de Vlasiator". Ann. Geophys. 31 (12): 2207–2212. código:2013AnGeo...31.2207P. doi:10.5194/angeo-31-2207-2013. hdl:10138/161497.
^ von Alfthan, S.; Pokhotelov, D.; Kempf, Y.; et al. (2014). "Vlasiator: Primera simulación híbrida-Vlasov global del preeshock e magnetosheath de la Tierra". J. Atmos.. 120: 24–35. Bibcode:2014JASTP.120...24V. doi:10.1016/j.jastp.2014.08.012.
^ Hedditch, John (2018). "Un enfoque diferente al equilibrio MHD". arXiv:1808.00622 [physics.plasm-ph].
^ Tallents, G. J. (26 de abril de 2018). Introducción a la Física Atómica y Radiación de los Plasmas. Cambridge University Press. Bibcode:2018iarp.book.....T. doi:10.1017/9781108303538. ISBN 978-1-108-41954-3.
^ Modern Methods in Collisional-Radiative Modeling of Plasmas. Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics. Vol. 90. 2016. doi:10.1007/978-319-27514-7. ISBN 978-319-27512-3 – via link.springer.com.
^ E, Huett (26 de abril de 2022). "Determination of 2D Plasma Parameters with Filtered Cameras. Una aplicación al Régimen Radiador X-Point en Actualización ASDEX". Max-Planck-Institut für Plasmaphysik. doi:10.17617/2.3379034.
^ A, Kallenbach (28 de noviembre de 2013). "Impurity seeding for tokamak power exhaust: from present devices via ITER to DEMO". Física de plasma y Fusión Controlada. 55 (12). Bibcode:2013PPCF...55l4041K. doi:10.1088/0741-3335/55/12/124041. Hdl:11858/00-001M-0000-0026-E206-8.

Francis F. Chen (2006). Introducción a la Física Plasma y Fusión Controlada (2a edición). Springer. ISBN 978-0-306-41332-2.
Nicholas Krall " Alvin Trivelpiece (1986). Principios de Física de Plasma. San Francisco Press. ISBN 978-0-911302-58-5.
Ledvina, S. A.; Y.-J. Ma; E. Kallio (2008). "Modelación y simulación de plasmas y fenomena relacionada". Reseñas de las ciencias espaciales. 139 (1–4): 143. código:2008SSRv..139..143L. doi:10.1007/s11214-008-9384-6. S2CID 121999061.

Más resultados...