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Zuletzt lasset uns der Einbildungskraft ein so wunderseltsames Objekt, als eine brennende Sonne ist, gleichsam von nahen vorstellen. Man sieht in einem Anblicke weite Feuerseen, die ihre Flammen gen Himmel erheben, ... Immanuel Kant Gedanken von der wahren Schätzung der Sonnenkräfte Vorwort Plasmaphysik spielt heute zunehmend eine wichtige Rolle, beispielsweise in dem weiten Feld der Astrophysik und zahlreichen modernen Technologien. Dieses Buch führt zunächst in die Grundlagen des Themas ei...
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Michael Kaufmann Plasmaphysik und Fusionsforschung Plasmaphysik spielt heute zunehmend eine wichtige Rolle, beispielsweise in dem weiten Feld der Astrophysik und zahlreichen modernen Technologien. Dieses Buch führt zunächst in die Grundlagen des Themas ein und erschliesst den Zugang zu dem breiten Spektrum der Anwendungen. Einen Schwerpunkt bildet dabei die Fusionsforschung, die sich mit der Verschmelzung von Wasserstoffisotopen zur Energiegewinnung beschäftigt. Der Leser sollte mit der Elekt... [weiter lesen] |
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Inhalt
1 Einleitung 11
1.1 Charakterisierung von Plasmen. 11
1.2 Zustandsgrenzen. 17
1.3 Elektrische Wechselwirkung. 19
1.4 Entartete Plasmen. 24
2 Atomare Prozesse 28
2.1 Coulomb-Stoßprozesse. 28
2.2 Bremsstrahlung. 35
2.3 Ionisation und Rekombination. 38
2.4 Dissoziation und Franck-Condon-Effekt. 45
2.5 Ladungsaustausch. 47
2.6 Laserlichtstreuung. 52
3 Einzelteilchenbeschreibung 59
3.1 Bewegung in elektrischen und magnetischen Feldern. 59
3.2 Elektronzyklotronstrahlung. 61
3.3 Die Driftbewegung. 63
3.4 Die Invarianz des Magnetischen Moments. 66
3.5 Beispiele zur Driftbewegung. 68
3.6 Invarianten der Bewegung. 74
4 Statistische Beschreibung 81
4.1 Hydrodynamische Beschreibung. 81
4.2 Darstellung im Phasenraum. 84
4.3 Die Fokker-Planck-Gleichung. 91
5 Magnetohydrodynamische Gleichungen 103
5.1 Die Bildung von Momenten. 103
5.2 Flüssigkeitsgleichungen als Momentengleichungen. 105
5.3 Einflüssigkeitsbild. 107
5.4 Ideale MHD-Gleichungen. 115
6 Magnetischer Einschluss: Lineare Gleichgewichte 121
6.1 MHD-Gleichgewichte. 121
6.2 Die "v-Pinch"-Konfiguration. 122
6.3 Die "z-Pinch"-Konfiguration. 122
6.4 Magnetischer Druck und Feldlinienspannung. 124
6.5 Zur Stabilität von linearen Gleichgewichten. 124
6.6 Die "Screw-Pinch" Konfiguration. 126
6.7 Elektrisches Feld, Rotation und Driften. 128
6.8 Gleichgewicht von Solaren Filamenten. 133
7 Der toroidale Einschluss 135
7.1 Grundeigenschaften der Gleichgewichte. 135
7.2 Die axialsymmetrische Konfiguration. 137
7.3 Nichtaxialsymmetrische Konfigurationen. 151
8 Der Einschluss im Teilchenbild 157
8.1 Drift in axialsymmetrischen Magnetfeldern. 157
8.2 Driftbahnen und Transport im Stellarator. 166
9 Wellen in homogenen Plasmen 169
9.1 Einleitung. 169
9.2 Linearisierung. 171
9.3 Wellen ohne stationäres Magnetfeld. 173
9.4 Wellen mit stationärem Magnetfeld. 179
9.5 Alfvén-Wellen. 186
9.6 Wellenheizung und Stromtrieb. 189
10 Wellen und Instabilitäten in inhomogenen Plasmen 194
10.1 Einleitung. 194
10.2 Austauschinstabilität. 195
10.3 Eigenwertproblem und Energieprinzip. 202
10.4 MHD-Stabilität zylindersymmetrischer Gleichgewichte. 203
10.5 Kontinuierliches Eigenspektrum. 207
10.6 Resistive MHD-Instabilitäten. 211
10.7 Driftwellen. 219
11 Der Plasmarand 224
11.1 Einführung. 224
11.2 Prozesse an der Wandoberfläche. 225
11.3 Die Plasmarandschicht. 230
11.4 Die Abschälschicht. 239
12 Fusion als Energiequelle 246
12.1 Energieversorgung der Zukunft. 246
12.2 Energie aus Fusion. 254
12.3 Der Reaktor mit magnetischem Einschluss. 262
12.4 Trägheitsfusion. 273
Literaturverzeichnis 278
Sachverzeichnis 285
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Sachverzeichnis
A
a-C-H-Schichten, 227
Abbremskraft, 27, 31, 94, 98
Abbremszeiten, 94
Abschälschicht, 223, 237
Aehnlichkeitsgesetze, 260
Alfvén-Geschwindigkeit, 185
Alfvén-Wellen, 184, 205, 206
Allis-Diagramm, 184
Aspektverhältnis, 137
astrophysikalische Plasmen, 13, 115
Ausgleichsströme, 134
Austauschinstabilität, 195, 196
außerordentliche Welle, 181
B
Ballooning-Moden, 204
Bananenregime, 159
Beta-Wert, 120
Bindungsenergie, 253
Bogenentladung, 10, 222
Bohm-Bedingung, 231
Boltzmann-Gleichung, 85, 103
Boltzmann-Verteilung, 20, 105
Boltzmannscher Stoßterm, 87
Bootstrap-Strom, 163, 216
Bremsstrahlung, 33, 257
Brutblanket, 256, 266, 267
C
Chandrasekhar-Grenze, 24
charakteristische Energien, 15
CO 2-Gehalt, 249
CO 2-Kreislauf, 248
Coulomb-Potenzial, 19
Coulomb-Stoß, 26
Cut-off, 172, 180, 181
D
Debye-Abschirmung, 19
Debye-Länge, 20, 233
DEMO, 266, 268, 270
Desorption, 223
diamagnetischer Strom, 127
Dichtelimit, 216
Dispersionsbeziehung, 170, 171, 174
Dissoziation, 44
Divertor, 146, 237, 266
Dreicer-Feldstärke, 98
Drift, 61, 67, 74, 126, 155, 164
Driftwelle, 217, 218
Drucktensor, 102
E
Eigenwertproblem, 200
Eindringtiefe, 172
Einflüssigkeitsbild, 105
elektr. Leitfähigkeit, 32, 98, 108
elektrisches Feld, 126
Elektronenast, 174
Elektrongyrofrequenz, 187, 190
elektrostatische Wechselwirkung, 16
ELM, 148
Energiebedarf, 244
Energieeinschlusszeit, 14, 138, 262
Energieprinzip, 201
Energievorräte, 247
entartete Plasmen, 22
Entropie, 85, 108
Ergodisierung, 153
erste Wand, 226, 266
Eulersche Gleichung, 79
F
Faraday-Effekt, 181
Fast-Wave, 186
Feldlinienspannung, 122
Fermi-Energie, 15
Fermi-Entartung, 16
Festkörperplasmen, 22
Flussfläche, 133
Flute-Instabilität, 195
Fokker-Planck-Gleichung, 92
Fokker-Planck-Stoßterm, 89
Franck-Condon-Effekt, 45
freie Weglänge, 32, 107, 110
Funkenentladung, 10
Fusionsprodukt, 258
Fusionsprozess, 13, 253
Fusionsreaktor, 244, 264
G
Gütezahl, 133
Gap-Mode, 209
Gasentladungsplasmen, 11
Gaunt-Faktor, 34
gefangene Teilchen, 155, 164
Gleichgewicht, 119, 133
Glimmentladung, 10, 222
Grad-Schafranow-Schlüter-Gleichung, 139
Gruppengeschwindigkeit, 168, 186
Gyroviskosität, 112
H
H-Mode, 148
Hall-Term, 109, 114, 116
Hamada-Bedingung, 153
helikale Symmetrie, 149
Helium, 259
Hoch-Recycling, 237
Hybridfrequenz, 187
I
ideale MHD-Gleichungen, 113
ideale Plasmen, 16, 101, 102
induzierte Sublimation, 226
Ingenieurformeln, 112
Inselbreite, 214
Inselstrom, 213, 215
Instabilitäten, 192
Ionenast, 175
Ionenplasmafrequenz, 174
Ionenschall, 175
Ionisation, 15, 36, 43
Ionisationsenergie, 21, 37
ITER, 260, 263, 264, 266, 270
K
Kathodenfleck, 223
kinetische Gleichung, 85
kinetische Theorie, 79
Kink-Mode, 123, 136, 203, 207
Klein-Beta-Entwicklung, 146
Klimamodelle, 252
Kohlenstoff, 226
Kohlenstoffhaushalt, 248
Kompressions-Alfvén-Welle, 186
kontinuierliches Spektrum, 205
Kontinuumsmoden, 206
Korona-Gleichgewicht, 40
L
L-Welle, 180
Ladungsaustausch, 45
Lagrange-Beschreibung, 80
Landau-Dämpfung, 176, 188
Landau-Länge, 173
Langmuir-Potenzial, 232
Langmuir-Sonde, 235
Laserlichtstreuung, 50
Limiter, 146
Liouvillescher Satz, 82
Longitudinalwellen, 174, 176
M
M+S-Gleichgewicht, 135, 151
Magnetfelddruck, 120, 122
magnetische Achse, 133
magnetische Fläche, 133
magnetische Insel, 152, 210
Materialschäden, 266
MHD-Stabilität, 202
Minimum-B-Konfiguration, 199
Momentenbildung, 101
Momentengleichungen, 103
N
Nachwärme, 270
Navier-Stokes-Gleichung, 113, 260
neoklassische Tearing-Moden, 217
neoklassischer Transport, 158
Neutralstrahlinjektor, 48
Neutronenstern, 13, 116
O
O-Mode, 181, 190
obere Hybridfrequenz, 181
ohmsches Gesetz, 109, 114
Onsager-Relation, 108
ordentliche Welle, 181
P
Pfirsch-Schlüter-Regime, 158
Pfirsch-Schlüter-Ströme, 134, 143
Phasengeschwindigkeit, 168, 186
Plasmaätzen, 226, 228
Plasmafrequenz, 17
Plasmarandschicht, 228
Plasmawellen, 167
Plasmonen, 175
Plateau-Regime, 163
Poincaré-Plot, 134, 154
Q
Quasineutralität, 17, 106
R
R-Welle, 180
radioaktive Nachwärme, 271
radioaktiver Abfall, 270
Radiotoxizität, 271
Ratenkoeffizient, 43
Rayleigh-Taylor-Instabilität, 193
Reconnection, 210
Rekombination, 36
relativistische Plasmen, 16
resistive Instabilität, 136, 209
Rogowskispule, 126
Rotation, 126
Rotationstransformation, 134
Run-away Effekt, 99
Rutherford-Gleichung, 215, 216
S
Sägezahninstabilität, 136, 216
Saha-Gleichung, 36, 39
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