Spitzer-Resistivität-Plasma-Coulomb-Rechner
Spitzer-Härm 1953 Plasma-Resistivitätsrechner: η = 5,2e-5·Z·lnΛ/T_e^1.5. ITER, DTT Frascati, FTU ENEA INFN Sonnenkorona ICM-Cluster.
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Spitzer-Resistivität-Plasma-Coulomb-Rechner
Der Spitzer-Resistivitäts-Rechner bestimmt die elektrische Resistivität η eines vollständig ionisierten Plasmas dominiert von Elektron-Ion-Coulomb-Stößen, nach der Formulierung von Lyman Spitzer Jr. und Richard Härm 1953 Physical Review 89, 977 "Transport Phenomena in a Completely Ionized Gas" Princeton. Praktische Formel: η = 5,2×10⁻⁵ · Z · ln(Λ) / T_e^(3/2) [Ω·m], mit T_e Elektronentemperatur in eV, Z Ionenladungszahl, ln(Λ) Coulomb-Logarithmus typisch 10-20. Exakte Form: η_Spitzer = m_e^0,5·Z·e²·ln(Λ) / (12π·ε₀²·(k_B·T_e)^1,5), mit m_e = 9,109×10⁻³¹ kg Elektronenmasse, e = 1,602×10⁻¹⁹ C, ε₀ = 8,854×10⁻¹² F/m. Physik: Strom im Plasma wird von Elektronen getragen, die durch Ionenflüssigkeit driften; Resistivität entsteht aus Kleinwinkel-Coulomb-Stößen integriert über Stoßparameter von b_min (closest approach) bis λ_D (Debye-Länge), Definition ln Λ = ln(λ_D / b_min). Für Wasserstoffplasma (Z=1) bei T_e = 1 keV: η ≈ 10⁻⁸ Ω·m, vergleichbar Kupfer; bei T_e = 10 keV (ITER): η ≈ 3×10⁻¹⁰ Ω·m, zehnmal besser als Kupfer. 4 Plasma-Kategorien:
- Tokamak-Fusionsplasma T_e = 1-25 keV, η = 10⁻¹⁰-10⁻⁸ Ω·m (ITER, DTT, FTU, JET)
- Solar-/Stellar-Plasma Korona T_e ≈ 100-200 eV, η ≈ 10⁻⁶ Ω·m (Solar Orbiter, SOHO)
- Astrophysikalisches Plasma ICM-Cluster T_e ≈ keV (XMM-Newton, Athena)
- Niedrigtemperatur-Laborplasma T_e ≈ 1-10 eV, η ≈ 10⁻⁴ Ω·m. Fundamentale Anwendungen:
- Tokamak-Stromdiffusionszeit τ_R = μ₀·a²/η (a = kleiner Radius) → ITER a = 2 m, η = 3×10⁻¹⁰ → τ_R ≈ 1000 s
- Sonnenkorona-Resistivität in MHD-Koronaheizungsmodellen
- Magnetische Rekonnektion Sweet-Parker-Regime v_rec ∝ η^(1/2)
- Pulsar-Magnetosphäre + Akkretionsscheiben
- Plasma-Diagnostik via Schleifenspannung V_loop = η·j·2π·R
- ICF Inertial Confinement Fusion NIF Lawrence Livermore + Asterix München. Italienische Anwendungen:
- ENEA Frascati 1955 + DTT Divertor Tokamak Test 2028 EUROfusion R=2,19 m, T_e=10 keV η=3×10⁻¹⁰ Ω·m, B=6 T, I_p=5,5 MA, flüssiger Wolfram-Zinn-Divertor
- FTU Frascati Tokamak Upgrade 1989-2020 ENEA R=0,93 m, T_e bis 13 keV, η Spitzer-Baseline LH lower hybrid current drive
- ITER Cadarache Frankreich 2025 first plasma + Ansaldo Nucleare Genua engineering Q=10 Fusion Gain, T_e=20 keV η=2×10⁻¹⁰ Ω·m, τ_R≈1000 s
- INAF IAPS Rom + Solar Orbiter ESA 2020 ASI 25% Sonnenkorona T_e=10⁶ K=86 eV η=10⁻⁶ Ω·m Rekonnektion
- INFN-LNS Catania Zyklotron K800 ECR-Plasmaionenquelle 14,5 GHz
- Cineca Bologna Marconi100 30 PFlops + Leonardo 250 PFlops 2023 MHD-Plasmasimulationen JOREK BOUT++ NIMROD
- AGILE ASI 2007 + INFN Frascati LNF DAFNE 1999 Gamma-Astrophysik + e+e- Beschleuniger
Italienische Spitzer-Plasma-Resistivität-Tabellen
| Plasma | T_e | Z | ln Λ | η (Ω·m) | Italienische Anwendung |
|---|---|---|---|---|---|
| ITER Plasma-Kern | 10 keV | 1 | 17 | 3×10⁻¹⁰ | Ansaldo Nucleare Genua |
| DTT Frascati | 10 keV | 1 | 17 | 3×10⁻¹⁰ | ENEA Frascati EUROfusion |
| FTU Frascati | 2 keV | 1 | 15 | 3×10⁻⁹ | ENEA FTU 1989-2020 |
| JET Tokamak EU | 15 keV | 1 | 18 | 1,5×10⁻¹⁰ | ENEA EUROfusion-Partner |
| Sonnenkorona | 86 eV | 1 | 18 | 1,2×10⁻⁶ | Solar Orbiter ASI 25% |
| Sonnenwind 1 AU | 10 eV | 1 | 22 | 3,7×10⁻⁵ | INAF IAPS Rom |
| ICM Coma-Cluster | 8 keV | 1 | 40 | 9×10⁻¹⁰ | XMM-Newton RGS Padua |
| Lab Lichtbogenplasma | 1 eV | 1 | 10 | 5,2×10⁻⁴ | INFN-LNS Catania ECR |
| Pulsar-Magnetosphäre | 1 MeV | 1 | 20 | 3×10⁻¹⁵ | INAF AGILE ASI 2007 |
(Quelle: Spitzer & Härm 1953 Phys. Rev. 89, 977 + Braginskii 1965 Reviews Plasma Physics + ENEA Frascati 1955 + ITER Organization 2025 + INAF Rom 2002).
Italienische Spitzer-Resistivitäts-Berechnungsbeispiele
- ITER Cadarache Frankreich 2025 + Ansaldo Nucleare Genua engineering: Deuterium-Tritium-Plasma, T_e = 10 keV = 10⁴ eV, Z = 1, ln Λ ≈ 17. η = 5,2×10⁻⁵ · 1 · 17 / (10⁴)^1,5 = 8,8×10⁻¹⁰ Ω·m. Leitfähigkeit σ = 1/η = 1,1×10⁹ S/m (≈18-mal Kupfer 5,96×10⁷). Stromdiffusionszeit τ_R = μ₀·a²/η = 4π×10⁻⁷·(2)²/8,8×10⁻¹⁰ ≈ 5700 s ≈ 1,6 Stunden
- DTT Frascati ENEA EUROfusion 2028: T_e = 10 keV, Z = 1, ln Λ = 17. η = 8,8×10⁻¹⁰ Ω·m identisch zu ITER. R = 2,19 m, a = 0,7 m, B_T = 6 T, I_p = 5,5 MA, flüssiger Wolfram-Zinn-Divertor
- FTU Frascati Tokamak Upgrade 1989-2020 ENEA: T_e = 2 keV, Z = 1, ln Λ = 15. η = 5,2×10⁻⁵ · 15 / (2000)^1,5 = 8,7×10⁻⁹ Ω·m. R = 0,93 m, B_T = 8 T, I_p = 1,6 MA, lower hybrid current drive 8 GHz
- Solar Orbiter ESA 2020 ASI 25% INAF IAPS Rom Sonnenkorona: T_e = 10⁶ K = 86 eV, Z = 1, ln Λ = 18. η = 5,2×10⁻⁵ · 18 / (86)^1,5 = 1,2×10⁻⁶ Ω·m. Sweet-Parker-Rekonnektion v_rec/v_A = (η/μ₀·v_A·L)^0,5
- Lab-Lichtbogenplasma INFN-LNS Catania ECR-Ionenquelle 14,5 GHz: T_e = 1 eV kaltes Plasma, Z = 1, ln Λ = 10. η = 5,2×10⁻⁵ · 10 / 1^1,5 = 5,2×10⁻⁴ Ω·m (10⁴-mal Kupfer)
- ICM Coma-Cluster XMM-Newton ESA RGS Padua-Bologna: T_e = 8 keV, Z ≈ 1, ln Λ ≈ 40 (verdünntes Plasma). η = 5,2×10⁻⁵ · 40 / (8000)^1,5 = 2,9×10⁻⁹ Ω·m. Sweet-Parker-Rekonnektionszeit 10⁹-10¹⁰ Jahre
- Pulsar Crab Magnetosphäre INAF AGILE ASI 2007 + Fermi LAT: ultrarelativistisches e+e--Plasma T ≈ 1 MeV, η ≈ 3×10⁻¹⁵ Ω·m
Italienische Plasmaphysik ENEA INFN INAF
Die italienische Plasmaphysik: ENEA Forschungszentrum Frascati 1955 (CNEN, Direktor Felice Ippolito): FT Frascati Tokamak 1976 R=0,83 m B=10 T erster italienischer Hochfeld-Tokamak; FTU Frascati Tokamak Upgrade 1989-2020 R=0,93 m B=8 T I_p=1,6 MA T_e=13 keV LH 8 GHz, ECRH 140 GHz 1,5 MW; Frascati Neutron Generator FNG DT 14 MeV Qualifizierung Fusionsmaterialien
- DTT Divertor Tokamak Test 2028 EUROfusion Frascati R=2,19 m B_T=6 T I_p=5,5 MA P_aux=45 MW innovativer flüssiger Wolfram-Zinn-Divertor für DEMO 2050
- ITER Cadarache 2025-2035: 8% italienischer Beitrag via Fusion for Energy F4E, Ansaldo Nucleare Genua Vakuumkammer + TF-Magnete, OCEM Power Modena, ASG Superconductors Genua NbTi-Kabel, Walter Tosto Chieti
- INAF Italienisches Nationales Astrophysikinstitut Rom 2002: IAPS Rom 1965 Weltraumplasmaphysik + Solar Orbiter ESA 2020 ASI 25%; OAR Rom 1786; OACT Catania-Ätna 1880; OAPa Palermo 1790; Triest 1898
- INFN Italienisches Institut für Kernphysik 1951: LNF Frascati 1957 DAFNE 1999 e+e- KLOE-2; LNS Catania 1976 Zyklotron K800 + ECR-Ionenquelle 14,5 GHz Protonentherapie CATANA; LNGS Gran Sasso 1987 XENONnT + DarkSide-50 Dunkle Materie; LNL Legnaro 1968 Tandem XTU + ALPI
- Cineca Casalecchio Bologna 1969: Marconi100 30 PFlops + Leonardo HPC pre-exascale 250 PFlops 2023 5. TOP500 MHD-Plasmasimulationen JOREK BOUT++ NIMROD GENE
- Italienische Nobelpreise: Marconi 1909, Fermi 1938, Segrè 1959, Carlo Rubbia 1984 CERN UA1, Riccardo Giacconi 2002 Röntgenastronomie
- Universitäten Plasma: Sapienza Rom 1303 + ICRA 1985 Remo Ruffini; Politecnico Mailand 1863 Fusion; Politecnico Turin 1859 NEMO; Padua 1222 RFX Reversed Field eXperiment 1986 + NBI ITER Prototyp; Pisa Scuola Normale 1810; Triest SISSA 1978 + ICTP Abdus Salam 1964; IIT Genua 2003
- PNRR Mission 2 grüner Wasserstoff 3,2 Mrd. € + Mission 4 Forschung 6,9 Mrd. €. Steuerboni Forschung 2025-2026: F&E-Steuerguthaben L. 160/2019 bis zu 25%; Patent Box L. 178/2020 50%; Industrie/Übergang 5.0 DL 39/2024 bis zu 35% grüne/digitale Investitionen; Kapitalgüter 4.0 bis zu 50%. Disclaimer: der Rechner liefert η Spitzer-Baseline ohne neoklassische Korrekturen (Hirshman-Sigmar 0,51 trapped particles), noch Spitzer collisional → collisionless Übergang (Parameter ν*)
Aktualisiert im Juli 2026
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