Neste trabalho, é feito o estudo de alguns aspectos considerados relevantes para o equilíbrio, estabilidade e transporte em tokamks de pequena razão de aspectos, utilizando um modelo analítico de equilíbrio baseado na solução de Soloviev da equação Grad Shafranov. No que se refere ao equilíbrio, é dado enfoque no estudo da "elongação natural" que ocorre em tokamaks de baixa razão de aspecto. É mostrado que configurações com elongação vertical "natural", são estáveis aos modos com simetria axial. No que diz respeito aos processos de transporte, a atenção é dirigida para os cálculos da configuração das órbitas banana, invariante adiabático J e corrente de reforço. É verificado que configurações com elongação horizontal são mais adequadas para estabilização dos modos de partículas aprisionadas. A corrente de reforço representa de 8 a 12% da corrente de plasma. A estabilidade relativa aos modos inflados é testada através do código HBT no limite de alto B, onde é proposta uma generalização na lei de escala de Troyon, válida agora para seção transversal e razão de aspecto quaisquer.

Para cumprir um dos principais planos de pesquisa do Experimento Tokamak Esférico - ETE, que é o de investigar a região de borda da coluna de plasma em dispositivos de baixa razão de aspecto, desenvolveu-se um sistema de diagnóstico baseado em um Feixe de Lítio Neutro e Rápido - FLNR. Nos diagnósticos de feixes atômicos, como é o caso do FLNR, os perfis da densidade de elétrons são obtidos pela medida da emissão do feixe neutro de lítio. Quando átomos de lítio são injetados em um plasma eles emitem fótons devido a processo de excitação por impacto com elétrons. A taxa local de emissão de fótons, referente à linha de ressonância do lítio, no comprimento de onda l = 670,8 nm, é proporcional à densidade do plasma. Na região sondada pelo FLNR no ETE, a atenuação sofrida pelo feixe pode ser desprezada e a densidade é obtida por meio de processo de calibração da emissão do feixe feita em gás neutro. O feixe produzido neste diagnóstico, após um exaustivo esforço para otimizar suas características de emissão, tem densidade de corrente inicial de 1mA/cm2, energia de 10 keV, diâmetro de cerca de 2 cm, sendo neutralizado com eficiência de aproximadamente 80%. O sistema de detecção ótica instalado permite coletar a luz proveniente dos átomos de lítio em uma única posição radial no ETE, 7 cm afastado do limitador, com resolução espacial de cerca de 1 cm e resolução temporal menor que 1 ms. Em sondagem feita no gás neutro com o FLNR obtiveram-se medidas da rápida variação da pressão no interior da câmara de vácuo do ETE após injeção de gás por válvula puff. Também se determinou a densidade da descarga glow de He, usada em processo de condicionamento do vácuo no ETE. Por fim, o diagnóstico do FLNR permitiu a determinação da evolução temporal da densidade eletrônica na borda do plasma produzido na descarga do ETE, com excelente resolução espacial e temporal. O resultado alcançado foi confrontado com os valores obtidos por diagnósticos de sonda eletrostática e por espalhamento Thomson; a boa concordância dos pontos experimentais valida o diagnóstico do FLNR como poderosa ferramenta para sondar o plasma de borda no tokamak ETE. Já está em andamento a ampliação do sistema de detecção ótica que irá permitir a obtenção do perfil radial da densidade na borda da coluna de plasma, em um único disparo no ETE.

Sistemas de confinamentos magnéticos de plasmas quentes, têm há muito despontado como uma das melhores alternativas para estudar plasmas de fusão. Dentre estes sistemas os tokamaks apresentam-se como os mais viáveis. Entretanto, a compreensão dos mecanismos físicos que regem a dinâmica e o equilibro da coluna de plasma no interior destas máquinas ainda tem diversos tópicos em aberto. A equação básica que descreve o equilíbrio Magneto Hidrodinâmico (MHD) neste tipo de sistema é a equação de Grad-Shafranov, uma equação auto consistente que depende do perfil de densidade de corrente toroidal da coluna de plasma. Condições de equilíbrio MHD quando um perfil de densidade de corrente toroidal com inversão é aplicado à equação de Grad-Shafranov têm sido foco de estudos recentes. Esse tipo de perfil de densidade de corrente está relacionado ao modo alternado de operação dos tokamaks. Este modo de operação por sua vez está relacionado ao aparecimento de barreiras de transporte e de correntes de retroalimentação do plasma, chamadas correntes "Bootstrap". Mesmo sob condições de equilíbrio, esse tipo de configuração de densidade de corrente toroidal tem apresentado a formação de ilhas magnéticas. A análise desse tipo de equilíbrio tem sido feita na literatura usando métodos numéricos, dada a complexidade e não linearidade da equação envolvida. Há alguns modelos analíticos que abordam perfis de corrente toroidal simplificados. Neste trabalho desenvolvemos um tratamento analítico para tratar o equilíbrio MHD com perfil de corrente invertida, através do método das aproximações sucessivas, determinando o fluxo poloidal magnético para esse equilíbrio aplicado às configurações do tokamak TCABR do Instituto de Física da Universidade de São Paulo. Foi possível caracterizar a formação de ilhas magnéticas através da determinação do fator de segurança desse novo equilíbrio além do cálculo do número e da largura das ilhas encontradas.

Este trabalho de Mestrado, em Engenharia Eletrônica, compreende basicamente o desenvolvimento de vários sistemas elétricos dedicados ao Experimento Tokamak Esférico (ETE), em especial dos circuitos dos bancos de capacitores para a formação e aquecimento ôhmico do plasma (bobinas solenoidais), dos circuitos dos bancos de capacitores para a produção dos campos magnéticos de confinamento e equilíbrio do plasma (bobinas toroidais e verticais), e, também, do sistema de controle, baseado em um computador do tipo PC com comunicação digital através do barramento CAMAC IEEE-583, e do sistema de segurança, baseado em componentes pneumáticos. O tokamak esférico ETE é uma máquina destinada ao estudo experimental de plasmas com parâmetros relevantes à fusão termonuclear controlada, e que apresenta como principal característica o fato de possuir uma geometria toroidal de baixa razão de aspecto, A=R/a~1,5, onde R e a são respectivamente, o raio maior e o raio menor da coluna toroidal de plasma. Esta máquina está sendo construída no Laboratório Associado de Plasma (LAP) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) em São José dos Campos - SP.

Esta tese de Doutorado em engenharia trata do desenvolvimento de um sistema de controle inteligente do tipo neural, capaz de atuar em tempo real no controle do deslocamento do plasma no Experimento Tokamak Esférico (ETE). A máquina ETE encontra-se em operação desde novembro de 2000, no Laboratório Associado de Plasma (LAP) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) na cidade de São José dos Campos, SP, Brasil. O experimento é dedicado ao estudo do confinamento magnético do plasma de fusão, em uma configuração propícia à construção de futuros reatores. A fusão nuclear é uma fonte de energia renovável e de baixo impacto ambiental, que visa utilizar a energia contida nos átomos com fins pacíficos, para o desenvolvimento sustentável da humanidade. Uma das questões relevantes para a consecução dos reatores de fusão está relacionada com a estabilidade do plasma e o controle de sua posição durante a operação. Assim, o desenvolvimento de sistemas de controle do plasma em tokamaks constitui um avanço tecnológico necessário para a viabilização da fusão nuclear. A pesquisa realizada nesta tese, em particular, diz respeito à proposição de um sistema para controlar o deslocamento vertical do plasma no tokamak ETE, procurando tornar os disparos nesta máquina mais estáveis. Como parte deste trabalho foi desenvolvido um sistema de Levitação Magnética (MagLev), permitindo estudar-se o comportamento não-linear deste dispositivo que, sob o aspecto do controle de posição, é similar (análogo) ao do plasma no tokamak ETE. O sistema de levitação magnética foi projetado, construído e modelado computacionalmente para testar os controladores dos tipos clássico e inteligente. Os resultados obtidos nesta comparação mostraram-se muito promissores para a aplicação dos controladores inteligentes, tanto no tokamak ETE como em outras aplicações de controle.

Neste trabalho estudamos analiticamente e numericamente a topologia do campo magnético em tokamaks, nos focando, basicamente, no tokamak ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) em construção na França. Para as análises numéricas utilizamos como ferramenta o conjunto integrado de códigos CRONOS, que realiza simulações de descargas em tokamaks, e acopla uma série de códigos computacionais, tais como o módulo ';Helena';, usado para o estudo do equilíbrio MHD, entre outros. Já a parte analítica foi realizada pela simulação de superfícies magnéticas através de equações diferenciais ordinárias. Simulações numéricas e analíticas são apresentadas para densidades de corrente toroidal com buraco (oca), relatando também o aparecimento de cadeias de ilhas próximas ao eixo magnético, causadas pela inversão de corrente. Simulações das superfícies magnéticas do tokamak ITER, através de campos magnéticos gerados por fios, também são analisadas, assim como alterações na topologia das superfícies causadas pela adição de um ruído que simula colisões de partículas dentro da coluna de plasma. Identificamos neste último modelo estruturas que aprisionam linhas de campo magnético por muitas voltas toroidais, alterando os padrões de escape para as placas do divertor através do efeito stickiness.

Investigamos nesta dissertação o comportamento das linhas de campo magnético caóticas em tokamaks. Estas linhas surgem devido à perturbações ressonantes com os campos magnéticos de equilíbrio, que podem aparecer naturalmente no plasma ou serem produzidas devido à ação externa. Produzimos numericamente esta perturbação simulando a ação de um dispositivo chamado limitador magnético ergódico (LME). A motivação para esta investigação de linhas caóticas é um possível melhoramento no confinamento do plasma em tokamaks e um maior controle da interação plasma-borda. Tratamos, primeiramente neste trabalho, a configuração de equilíbrio dos campos magnéticos. Em seguida aplicamos o formalismo hamiltoniano para descrevermos o traçado das linhas de campo na configuração de equilíbrio. Obtivemos também a hamiltoniana total do sistema sob a perturbação gerada pelo LME. Através das equações de Hamilton para o sistema perturbado escrevemos as equações de um mapa estroboscópico que fornecem as coordenadas canônicas da linha de campo na posição de cada anel do LME. A partir do mapa estroboscópico traçamos diversos mapas de Poincaré para diferentes modos ressonantes perturbados e intensidades de perturbação. Explicamos a formação das cadeias de ilhas, os fenômenos de reconexão e bifurcação e identificamos e caracterizamos a existência de linhas de campo caóticas no tokamak devido à perturbação. O escape destas linhas de campo magnético para a borda do tokamak também foi estudado. Para isso, foram obtidos os mapas de conexão, bacias de escape e os "footprints". Estes fornecem, respectivamente, o número de voltas que uma dada linha de campo magnético percorre no toróide até alcançar a parede, a localização das linhas ao chegarem na parede, assim como as impressões deixadas pelas linhas nas paredes. Estas impressões consistem numa distribuição de manchas nas paredes do toróide, fornecendo um padrão de escape não uniforme com uma estrutura complexa.

Neste trabalho foram estudadas algumas propriedades de transporte de sistemas dinâmicos caóticos descritos por mapas. O trabalho tem seu foco principal em plasmas de fusão gerados em reatores denominados tokamaks. Primeiramente foi estudado o transporte de linhas de campo magnético em plasmas de cisalhamento reverso perturbado por um Limitador Magnético Ergódico (LME) em tokamaks de seção transversão circular. A deposição de linhas de campo magnético é caracterizada por padrões de estruturas denominados ``footprints';'; magnéticos. Os "footprints';'; surgem devido aos vestígios deixados pela sela caótica das linhas de campo. Para os intervalos de fator de segurança estudados, estes efeitos na parede da câmara estão associados com o grudamento de linhas de campo e canais de escape devido a cadeias de ilhas internas próximas à última superfície de fluxo não-destruída. Neste trabalho também exploramos um método de construção de um mapa integrável simplético bidimensional, associado a um sistema hamiltoniano, dado um conjunto de pontos fixos e curvas invariantes. O método foi utilizado para encontrar o mapa de Poincaré não-perturbado para linhas de campo em tokamaks de alta razão de aspecto com um desviador poloidal. O mapa integrável foi então perturbado por uma perturbação impulsiva que descreve uma ressonância assimétrica na borda do plasma. O mapa perturbado não-integrável é aplicado para estudar a estrutura de linhas de campo magnético abertas na região entre o plasma e a parede da câmara. Com isto foram reproduzidos os principais aspectos de transporte obtidos por integração numérica das equações de linhas de campo magnético, tais como: comprimentos de conexão e "footprints';'; magnéticos na placa do desviador. Otimizamos o mapa encontrado através deste método introduzindo um potencial formado por seis parábolas unidas suavemente dispostas a formar um potencial com dois pontos de mínimo. Com isto o mapa resultante se mostrou mais versátil e capaz de reproduzir superfícies com topologias bastante particulares. Outro modelo desenvolvido neste trabalho reproduz superfícies magnéticas de tokamaks munidos de desviadores, com escolhas específicas de: posição do ponto de X, triangularidade, elongação e eixo magnético. O modelo é composto por um conjunto de condutores infinitos paralelos conduzindo corrente elétrica. Utilizamos cinco condutores para reproduzir a topologia das superfícies magnéticas similares ao do International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Com isto estudamos algumas propriedades da camada estocástica formada próximo à separatriz.