99553 - PLASMA PHYSICS FOR ENGINEERS M

Conoscenze e abilità da conseguire

Il corso è focalizzato sia su aspetti teorici che applicativi. E' dedicato agli strumenti per la modellazione di alcuni aspetti caratteristici del plasma nei dispositivi per la fusione nucleare. Per lo studio del comportamento del plasma, si analizzano il comportamento di particelle cariche interagenti in un campo elettromagnetico, la modellazione del plasma, le equazioni macroscopiche, il modello MHD e lo studio delle instabilità fondamentali, la propagazione di onde e perturbazioni, gli aspetti progettuali di base aspetti dei dispositivi per il confinamento del plasma. Al termine del corso lo studente avrà le conoscenze di base per valutare le problematiche connesse ai plasmi termonucleari (instabilità, coefficienti di trasporto, fenomeni ondulatori) ed infine avrà appreso l’utilizzo di tools numerici in grado di mostrare le grandezze fondamentali associate al confinamento del plasma.

Contenuti

Section I: Introductory Remarks

1. Basic Nuclear Structure

2. Fission and Fusion

3. Nuclear data and X-Sections Libraries

4. Basic Classical Mechanics, Hamiltonian Formulation

5. The Maxwell Equations

6. Particle System Description in the Phase Space

7. Balance Equation for the Distribution Function for Neutral and Charged Particle Systems

8. The Boltzmann Equation

Section II: Plasma Physics

1. Nuclear Energy and Nuclear Reactors

2. Controlled Nuclear Fusion Devices

3. Plasma Parameters

4. Motion of a Charged Particle in an EM Field

5. Drift Phenomena

6. Maxwellian as Equilibrium Solution

7. Plasma Kinetic Theory

8. Vlasov Equation

9. Perturbative approach: the Landau Damping

10. Adiabatic Invariants

11. Magnetic Mirrors

12. Collision terms

13. Transport Coefficients: Meaning and Modeling

14. Moments of the Phase Space Balance Equation

15. Macroscopic Equations

16. One & Two Fluid Model

17. MHD

18. Magnetic Confinement

19. Wave Propagation

Section III: Applications of Numerical Tools

1. Particle In Cell (PIC) simulation codes

2. Plasma Instability Analysis

3. Waves

4. MHD Equilibrium

Section IV: Training and Practice

1. Basic programming skills in Linux OS

2. Programming languages (Fortran, C++)

3. Meta languages: MATLAB, Python

Testi/Bibliografia

1. C. K. Birdsall, A. B. Langdon, Plasma Physics via Computer Simulation, Adam Hilger, 1991
2. T. M Boyd, J. J. Sanderson, The Physics of Plasmas, Cambridge University Press, 2003
3. N. A. Krall,A. W. Trivelpiece, Principles of Plasma Physics, Mc Graw Hill, 1973
4. F. F. Chen, Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, Springer, 1984
5. William Emrich, Jr., Principles of Nuclear Rocket Propulsion, Elsevier, 2016
6. R. G. McClarren, Computational Nuclear Engineering and Radiological Science using Python, Academic Press, 2018

Metodi didattici

• Frontal Instruction
• Experiential learning trough numerical exercises through the implementation and use of open source modeling codes.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Prepare a project on plasma device simulations using reference codes

Strumenti a supporto della didattica

Open source computer codes. Particle In Cell plasma simulation codes and equilibrium plasma configuration modelling. Python/Matlab environment.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Marco Sumini