Contents
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Edge Plasma Issues in Magnetic Fusion Devices . . . . . . . . . . . . . . .
1
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2
Atomic Physics Relevant to Fusion Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Basic Quantum Mechanical Features of Atoms, Molecules,
and Ions Relevant for Magnetic Fusion Research . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Collisional-Radiative Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Line Radiation Transport in Edge Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Application of CRM to Edge Plasma Relevant Species . . . . . . . . 32
2.4.1
Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.2
Impurities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3
Plasma-Material Interactions in Magnetic Fusion Devices . . . . . . . . 49
3.1 Reflection of Plasma Particles Impinging on Material
Surfaces and Sputtering of Plasma-Facing Materials . . . . . . . . . . 53
3.2 Basic Features of Hydrogen/Helium Transport
in Plasma-Facing Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4
Sheath Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5
Dust in Fusion Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1 Experimental Study of Dust in Magnetic Fusion Devices . . . . . . . 90
5.1.1
Dust Particle Density, Size Distribution,
and Composition in Fusion Devices . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.1.2
Mobilization of Dust Particles from Plasma-Facing
Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
xi
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Edge Plasma Issues in Magnetic Fusion Devices . . . . . . . . . . . . . . .
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References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
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Atomic Physics Relevant to Fusion Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Basic Quantum Mechanical Features of Atoms, Molecules,
and Ions Relevant for Magnetic Fusion Research . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Collisional-Radiative Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Line Radiation Transport in Edge Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Application of CRM to Edge Plasma Relevant Species . . . . . . . . 32
2.4.1
Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.2
Impurities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
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Plasma-Material Interactions in Magnetic Fusion Devices . . . . . . . . 49
3.1 Reflection of Plasma Particles Impinging on Material
Surfaces and Sputtering of Plasma-Facing Materials . . . . . . . . . . 53
3.2 Basic Features of Hydrogen/Helium Transport
in Plasma-Facing Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
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Sheath Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
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Dust in Fusion Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1 Experimental Study of Dust in Magnetic Fusion Devices . . . . . . . 90
5.1.1
Dust Particle Density, Size Distribution,
and Composition in Fusion Devices . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.1.2
Mobilization of Dust Particles from Plasma-Facing
Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
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