Esta dissertação se propõe a uma investigação teórica sobre a propagação de ondas de Alfvén e geodésicas no plasma de um Tokamak, destacando suas funcionalidades na viabilidade da construção de um futuro reator de fusão nuclear para a produção de energia. O Tokamak se trata de uma câmara toroidal onde o plasma fica confinado sob efeitos de um forte campo magnético a fim de alcançar altas temperaturas, necessárias para atingir as condições necessárias para a fusão nuclear. Foram abordadas as ondas de Alfvén e mais profundamente os Modo Acústico Geodésicos. Para ondas de Alfvén estão descritas, a sua natureza, uma onda comum a qualquer plasma sujeito a um campo magnético, quando devidamente perturbado ondas de Alfvén se propagam ao longo destas linhas de campo, também são relatadas suas possíveis aplicações. É descrito um estudo teórico onde se encontra os modos de Alfvén em coordenadas cilíndricas, uma aproximação para tokamaks com alta razão de aspecto. No caso dos Modos Acústico Geodésicos, GAM, onde sua origem está na curvatura toroidal do Tokamak, se tratam de perturbação de pressão que se propaga poloidalmente, tendo configurações simétricas ao longo do toroide, possuindo número toroidal $N=0$, e número poloidal $M=0,\\pm 1,\\pm 2 , ... $. É abordado suas possíveis aplicações e também um efeito de natureza estranha onde modos de Alfvén interagem com GAM. Por fim, segue uma investigação teórica sobre os efeitos de rotação de elétrons e íons, na forma do fluxo de cada partícula ao longo das linhas de campo magnético, na relação de dispersão e instabilidades de GAM. Em prosseguimento à investigação teórica sobre os efeitos de rotação, segue uma breve análise de dados fornecidos pelo Instituto de Física de Plasma da Academia Tcheca de Ciências, obtidos no COMPASS, onde é demonstrada uma possível correspondência qualitativa da dispersão e instabilidades de GAM com a teoria desenvolvida. / This work intends to present a theorical treatment of Alfven and geodesic wave behavior in tokamak plasma, showing their function on the viability study for the construction of a fusion reactor for energy production. The Tokamak is a toroidal chamber where the plasma stays confined under effects of a strong magnetic field where its can reach high temperature in necessary conditions for nuclear fusion. It is presented the behavior of Alfvén waves and deeper Geodesic Acoustic Modes. For Alfvén waves, it is described it\'s nature, a comum wave in any plasma under magnetic field, when properly perturbed, Alfvén waves can propagate on the magnetic field line, also it is presented possible applications. It\'s presented a theorical treatment where Alfvén modes in cilindrical coordinates, approximation for Tokamak with high aspect ratio. In Geodesic Acoustic Mode, GAM, driven by the todoidal curvature and symmetry of Tokamak, it is showed possible applications and a interaction with Alfvén waves. A perturbation that propagate in poloidal direction, symmetrical in toroidal direction, with toroidal number $N=0$ and poloidal number $M = 0, \\pm 1, \\pm 2 , ...$, a theorical treatment on rotation effects of electrons and ions in form of flux along the magnetic field line, on dispersion relation and instability of GAM is presented. In the end, it is presented a data analysis on COMPASS shoots, where is showed a possible qualitative correspondence between GAM dispersion and instabilities with the theory and experiment.

O objetivo deste trabalho é a investigação da excitação e detecção de ondas globais de Alfvén no plasma do tokamak TCABR para fins diagnósticos. As ondas são excitadas com o uso de uma ou duas antenas localizadas dentro do vaso do TCABR. Para excitar o modo global de Alfvén, as antenas são alimentadas com corrente de radio-frequência de até $15$A cada, na faixa de frequência de $2-4 MHz$. O esquema apresentado nos permitiu estimar o valor da massa efetiva no centro do plasma, que tem seu valor afetado pela concentração de impurezas. O amplificador de corrente para as antenas é baseado no chaveamento de MOSFETs. As ondas são excitadas com o uso de baixa potência, assim não causam perturbação nos parâmetros básicos do plasma. Foi verificada a variação da frequência de ressonância do modo global de Alfvén com a densidade do plasma. A localização da ressonância do modo é identificada na parte central do plasma, devido ao batimento da amplitude da onda com oscilações dente de serra, de modo que a inversão de fase entre o batimento e a oscilação dente de serra melhora a precisão da determinação da condição ressonante. A paridade toroidal dos modos excitados é determinada com o uso de duas antenas localizadas em posição toroidal oposta na câmara do TCABR e com diferença de fase na corrente de radio-frequência. O conhecimento do número de onda toroidal é importante para a correta estimativa da localização do modo excitado e do valor da massa efetiva do plasma. O valor obtido para a estimativa da massa efetiva, primeiramente, foi mais alto que nossa expectativas e não era bem relacionado com estimativas da condutividade do plasma. O valor obtido foi de $A_{eff}\\approx 1.60$, com um erro sistemático. Para calibrar a densidade central do plasma usamos dados do reflectômetro e realizamos disparos com gás hélio, que tem a mesma massa efetiva que a maioria das impurezas do TCABR. Finalmente, estimamos a massa efetiva como $A_{eff} = 1.40 \\pm 0.07$, valor compatível com a estimativa de $Z_{eff}$. / The goal of this study is experimental detection of global Alfvén waves in the plasma of TCABR tokamak for diagnostic. The waves are excited by the use of one or two antennas posed within the shadow of the limiter within the TCABR vessel. To excite the global Alfvén eigenmode the antennas are fed with radio-frequency current of up to $ 15$A each, in the frequency range of $ 2-4 $ MHz. The presented scheme allows us to estimate the value of the effective mass in the centre of the plasma, which has its value affected by the concentration of impurities in the plasma. The amplifier of the antenna current is based on electronically switching MOSFETs. The waves are excited in the plasma with low power, thus it does not cause perturbation of the basic plasma parameters. The variation of the resonance frequency of the global Alfvén eigenmode with density is verified. The location of the resonance is identified in the central part of the plasma due to the wave amplitude beating with sawtooth oscillations, so that the phase inversion between the beating and the sawtooth oscillation improves the accuracy of determining the resonant condition. The toroidal parity of the excited modes is determined with use of two antennas oppositely located within the TCABR chamber and established by phase difference between their radio-frequency current. Knowledge of the toroidal wave number is important for a correct estimate of both the excited mode location and the plasma effective ion mass value. The value of the initially found effective mass was $ A_ {eff} \\approx 1.60$, higher than our expectations at first and did not agree with plasma conductivity estimates, and we proposed that it had a systematic error of approximately $10\\%$. To calibrate the central plasma density, it was used data from a reflectometer and some plasma discharges performed with helium gas, which has the same effective mass as most TCABR impurities. Finally, we estimate the effective mass as $ A_ {eff} = 1.40 \\pm 0.07$, that is consistent with the $ Z_ {eff} $ estimation.

Os resultados de uma extensa campanha experimental, realizada no tokamak TCABR, para se investigar a física das ondas de Alfvén e suas aplicações para o aquecimento de plasmas em tokamaks são apresentados. Ao longo das investigações, foram testados dois tipos de antena, tendo sido observado aquecimento considerável do plasma com ambas, mesmo com valor moderado da potência RF injetada no plasma. Diversas configurações de excitação e diversas condições do plasma foram investigadas, e foi verificado que a escolha correta da helicidade da onda excitada PE crucial para se reduzir o acoplamento parasítico com o plasma periférico. Também foi verificada a importância de uma limpeza periódica da superfície das antenas, realizada durante as descargas de limpeza do tokamak, para melhorar o desempenho dos experimentos com aquecimento por ondas de Alfvén. Com a antena original, que produz um espectro poloidal bastante selecionado, a tensão de polarização dinâmica induzida nas antenas observada durante os experimentos era alta, aumentando a taxa de sputtering em seus elementos e podendo, inclusive, levar à disruptura do plasma em potêncis RF mais elevadas. Com o novo tipo de antena, projetado com dimensões poloidais reduzidas, a tensão de polarização induzida caiu pela metade. No entanto, o acoplamento parasítico com a borda do plasma aumentou, como foi indicado por maiores perturbações observadas nos potenciais do SOL, nesse caso. Ademais, a taxa de injeção/ionização de impurezas parece ser maior do que a observada com a antena original em condições semelhantes, como foi indicado pór um aumento maior no sinal do bolômetro durante o pulso RF e por medidas de espectroscopia. Esses fatos sugerem que o espectro excitado pela antena nova é menos seletivo quanto à componente poloidal M, e os modos eletrostáticos devem estar sendo excitados com amplitude considerável. As modificações causadas pela absorção das ondas de Alfvén no perfil radial da temperatura eletrônica do plasma puderam ser estudadas com um radiômetro heteródino de varredura ECE. Esses estudos nos permitiram determinar experimentalmente os perfis radiais de deposição de potência RF no plasma, que estão em surpreendente concordância com os perfis de deposição de potência RF no plasma, que estão surpreendente concordância com os perfis de deposição teóricos, calculados com um código cinético-toroidal para as condições típicas do TCABR. Esses resultados são inéditos em pesquisas com ondas de Alfvén, e reforçam a sua utilização para aquecimento localizado de plasmas e controle de fluxos cizalhados em tokamaks. / The results of na extensive experimental campaign performed in the TCABR tokamak to investigate the Physics of the Alfvén wave and its application to tokamak plasma heating are presented. In the course of the experiments, Téo types of Alfvén Wave antennae were studied, and considerable plasma heating was observed in both cases, even with rather small amount of RF Power injected in the plasma. Many antennae configurations and plasma conditions were tried out, and it was verified that the correct choice of the helicity of the excited wave is crucial to reduce the parasitic coupling with the edge plasma. It was also noticed that periodic conditioning of the antenna surface, performed together with the daily tokamak cleaning discharges, also contributes to improve the performance of the heating experiments. With the first antenna type, which produced a rather well defined poloidal spectrum, the dynamic polarication voltage induced in the antennae during the RF experiments was high, causing increased sputtering of its elements and, for higher RF powr input, even plasma disruptions. With the new antenna type, designed with smaller poloidal dimensions, the dynamic polarization voltage of the antenna was reduced twice. However the parasitic coupling with the plasma hás increased, as indicated by stronger perturbations of the electrostatic potentials in the scrape-off layer observed in this case. In addition, the impurity injection/ionization rate also seems to have increased with respect to the previous antenna type in approximately the same conditions, as indicated by a stronger rise in the bolometer signal observed during the RF pulse, and by spectroscopic measurements. These facts suggest that, with the new antenna type, the excited wave spectrum is rather broad with respect to the poloidal wave number M, and electrostatic modes must be excited with quite high amplitude. The change in the radial profiles of the electron temperature due to the Alfvén wave absorption could be studied with a heterodyne sweping ECE radiometer. These sutidies allowed us to determine experimentally the RF Power deposition profiles inside the plasma, which were in surprisingly good agreement with the theoretical deposition profiles, calculated with a kinetic-toroidal code for the TCABR plasma conditions. These results are unprecedented in experimental Alfvén wave research, and strengthen the use of these waves for localized plasma heating and shear flow control in tokamaks.

O objetivo do trabalho é a investigação da excitação de ondas no plasma com o uso de uma antena externa e fazer uma análise das ressonâncias de Alfvén encontradas. O sistema de antenas de Alfvén no tokamak TCABR foi desenhado para aquecimento do plasma por meio de ressonâncias. Al em do aquecimento, é possível usar a detecção de ondas excitadas com o uso da antena para objetivos de diagnóstico do plasma, encontrando o valor do perfil de segurança e massa efetiva dos íons. Por causa de uma falha nos diodos do campo toroidal usamos o regime de disparos de limpeza, com campo magnético toroidal mais fraco que de disparos tópicos do TCABR, para os testes do método de excitação e identificação de ressonâncias no plasma. Com o uso do circuito demodulador foram medidas ondas de helicon excitadas com a antena de Alfvén no plasma de limpeza usando as sondas magnéticas e de Langmuir. Com simulação foi possível idênticas as ondas medidas. Há disponível um gerador de frequência variável que foi utilizado junto desse experimento. Ambos os equipamentos se encontram preparados para uso, sendo a próxima etapa usar o plasma tópico de disparo do TCABR, que tem maior densidade que o plasma de limpeza. As medidas realizadas foram um teste para o circuito demodulador e gerador de frequência variável, que teve seu comportamento comparado com os dados de um osciloscópio de alta frequência de amostragem. Os equipamentos do TCABR usados nos experimentos, as antenas e sondas magnéticas, um gerador de baixa potência com frequência variável, um circuito demodulador, sonda de Langmuir e o reflectômetro, que tem alta taxa de amostragem (200MHz) e varredura de frequência na banda de 18 40GHz. São todos descritos na dissertação. Para modelagem das ressonâncias de Alfvén foi feito o cálculo do tensor dielétrico do plasma para o modelo cinético e para o limite magnetohidrodinâmico. Por meio de simulação computacional e cálculos considerando plasma como um fluido de 2 componentes, no caso prótons e elétrons, é possível determinar alguns tipos de onda que podem ser excitadas no plasma e sua relação de dispersão, foram calculadas a onda magnetossônica rápida e a onda global de Alfvén. Determinamos radialmente a posição dos campos eletromagnéticos no plasma. Usando o reactômetro foram medidas as ressonâncias das ondas de Alfvén na borda do plasma induzidas pelas antenas, com o plasma tópico do tokamak, com densidade mais alta e o gerador de alta potência com frequência fixa. O método para achar as ressonâncias nos dados do reflectômetro foi com o uso de sidebands que aparecem em torno da frequência da ressonância não sinal do reflectômetro, que é a frequência do gerador. As sidebands foram analisadas com um espectrograma dos dados. As ondas excitadas na borda do plasma puderam ser identificadas também nas simulações. Os resultados da análise mostram que foi possível medir as ondas no plasma que foram excitadas com o uso das antenas e tanto o circuito demodulador com o uso de sondas magnéticas como o reflectômetro são adequados para se achar ressonâncias no plasma. / The objective of this work is to investigate the excitation of waves in a plasma using an antenna and to analyse the Alfvén resonances found. The Alfvén antenna heating system of the TCABR tokamak was designed to heat the plasma due to resonances. As the diodes of the toroidal field had burned down we used cleaning discharges, with low toroidal magnetic field, to test the excitation method and the identification of plasma resonances. With the demodulator circuit we measured helicon waves excited with the Alfv en antenna in the cleaning plasma using Langmuir and magnetic probes. With computational simulation we found the measured waves. A generator of variable frequency was used in this experiment. Both equipments are prepared for future experiments with the typical plasma of the TCABR, which has higher density than the cleaning plasma. This work was aimed to test to the demodulator circuit and the variable frequency generator, the data obtained were compared to that of a high sampling frequency oscilloscope. It is presented the description of the TCABR equipments used, antenna, magnetic probe, variable frequency generator of low power, demodulator circuit, Langmuir probe and a reflectometer which has a high sampling frequency (200MHZ) and frequency scanning in the range 18 40GHz, and was built in Portugal. In order to have a model of Alfv en resonances we calculated the plasma dieletric tensor both in the kinetic and magnetohydrodynamic limits. With computational simulation and using a two uid model, protons and electrons, it is possible to find some of the excited waves in the plasma and its dispersion relation, we calculated the fast magnetosonic wave and the global Alfvén wave. We found the radial position of the electromagnetic fields in the plasma. With the re ectometer we measured resonances of Alfvén waves induced by the antenna at the plasma border in a typical TCABR tokamak plasma discharge, with higher density and a high power fixed frequency generator. We used sidebands as a method to find out the resonances in the reflectometer data. These sidebands are localized around the resonance frequency, which is the Alfvén wave generator frequency. The sidebands were analysed with spectrograms of the data. The waves excited at the plasma border were also found in the simulation. The analysis results show that we could detect the plasma waves excited with the antennas. The demodulator circuit along with magnetic probes and the reflectometer can be used to find plasma resonances.

O crescente interesse em novos métodos para a geração de energia limpa e sustentável contribui para o desenvolvimento de materiais avançados destinados a aplicações estruturais em reatores de fusão nuclear. Os principais resultados obtidos quanto à caracterização microestrutural de dois aços endurecidos por dispersão de óxidos, candidatos potenciais a este tipo de aplicação, são apresentados. Um dos aços contém 9%Cr e o outro 13%Cr (% em massa). Os aços foram laminados até 80% de redução e recozidos até temperaturas próximas a 0,9 Tf, onde Tf é o ponto de fusão. A cinética de amolecimento foi acompanhada por meio de medidas de dureza Vickers em função da temperatura de recozimento e do tempo. Amostras representativas foram caracterizadas via microscopia eletrônica de transmissão e de varredura e por difração de elétrons retroespalhados. As temperaturas das transformações de fases foram determinadas por técnicas como dilatometria e análise térmica diferencial. Curvas de magnetização em função do campo magnético aplicado até 15 kOe foram obtidas para o aço com 9%Cr. Medidas de difração de raios X para determinar a densidade de discordâncias também foram realizadas em amostras representativas do aço com 9%Cr. Os resultados até o momento mostram que o engrossamento microestrutural destes aços só se torna significativo quando o recozimento é feito em temperaturas acima de 0,8 Tf. Em temperaturas mais baixas, ainda no campo ferrítico, a recuperação prevalece e a fração recristalizada é baixa. A resistência destes materiais à recristalização se deve à presença das partículas de óxido de ítrio dispersas na matriz que dificultam a movimentação e o rearranjo das discordâncias e contornos durante sua migração. Por outro lado, partículas grosseiras como as dos carbonetos M23C6 estimulam a recristalização atuando como sítios preferenciais para a nucleação. O recozimento em temperaturas elevadas no campo austenítico resultou no aumento considerável na dureza Vickers e na densidade de discordâncias para o aço com 9%Cr devido à transformação martensítica. No aço com 13%Cr os resultados também sugerem a ocorrência da transformação martensítica. / There is an increasing interest in the development of new, sustainable, clean and safe sources of energy. In view of these requirements, the development of advanced materials for future nuclear fusion reactors becomes essential. This work investigates the annealing behavior and the microstructural stability of two oxide dispersion strengthened steels with 9%Cr and 13%Cr ODS steels. These materials are potential candidates for structural applications in future fusion reactors. The two ODS steels were cold rolled to 80% thickness reduction. Samples were annealed in vacuum at temperatures of about 0.9 Tm, where Tm is the melting point. The microstructural characterization was performed by Vickers hardness testing, transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM) and electron backscatter diffraction (EBSD) performed by a highresolution SEM. Important temperatures related to the phase transformations were determined with aid of dilatometry and differential thermal analysis (DTA). Magnetization curves as a function of applied magnetic fields up to 15 kOe were obtained for 9%Cr ODSEurofer. X-ray diffraction experiments were also performed on 9%Cr steel to evaluate the dislocation density in several metallurgical conditions. Results show that microstructural coarsening becomes significant when annealing is performed above 0.8 Tm. Below 800°C, static recovery is the main softening mechanism of these steels and the volume fraction of recrystallized grains is quite low. The resistance of these steels to recrystallization can be explained by the strong interaction between boundaries and mobile dislocations with fine particles of Y-based oxides. Contrastingly, coarse M23C6 particles act as preferential nucleation sites through the well-known particle stimulated nucleation (PSN) mechanism. Samples annealed above 800oC (austenitic phase field) display larger dislocation densities in the 9%Cr ODS steel. Results concerning to 13%Cr steel suggest the occurrence of martensitic transformation.

Neste trabalho, apresentamos um modelo não-local para a parte real da interação nuclear, que está baseado em efeitos quânticos relacionados à troca de núcleons entre os núcleos alvo e projétil (não-localidade de Pauli). Esse modelo não possui nenhum parâmetro livre e tem se mostrado eficiente para descrever ados de espalhamento elástico, ineslástico, tranferência e fusão, com energias que vão desde subcoulombianas até centenas de MeV acima da barreira. Dados de seção de choque de espalhamento elástico foram medidos na região da barreira para os sistemas 4,6He, 12C, 28Si+ 58Ni. Os correspondentes potenciais nucleares referentes a cada sistema foram determinados e posteriormente comparados com os resultados fornecidos pelo modelo não-local. Se o modelo não-local é assumido para a interação e a densidade de um dos núcleos é conhecida, um método de deconvolução podeser utilizado para extrair a densidade do outro núcleo, através da análise de dados de espalhamento elástico. Este trabalho, apresentamos resultados obtidos para a densidade dos núcleos 4,6He, 12C,16,18 e 28Si. Também estudamos, utilizando a interação não-local, uma sistemática envolvendo cerca de 2500 dados experimentais de fusão nuclear, referentes a 165 diferentes sistemas, dentro do contexto do modelo unidimensional de penetração de barreira. / In this work, we present a nonlocal model for the real parto f the nuclear interaction that is based on quantum effects related to the Exchange of nucleons between the target and the projectile (Pauli nonlocality). This model is totally parameter-free and hás been sucessful in describing the elastic and inelastic scattering, transfer and fusion processes, from sub-Coulomb to intermediate energies. Elastic scattering differential cross sections have been measured for the 4,6He, 12C, 28Si+ 58Ni systems at sub-barrier energies. The corresponding nuclear potentials have been determined and compared with the results obtained using the nonlocal model. If the nonlocal model is assumed for the interaction and the density o fone nucleus is know, na unfolding method can be used to extract the density of the other nucleus from the elastic scattering data analysis. In this work, we present the results obtained for the densities of the 4,6He, 12C,16,18 and 28Si nuclei. Using the nonlocal interaction in the contexto f the unidimensional barrier penetration model, we have also studied a systematics involving about 2500 experimental fusion data for 165 different systems.

Foram realizadas medidas de seções de choque para processos onde ocorre a emissão binária de fragmentos complexos, utilizando técnicas de coincidência cinemática, para o sistema 16O + 10B no intervalo de 22 MeV < EC.M. < 24.5 MeV com EC.M. ~ 20 KeV e 17 MeV < EC.M. < 25 MeV com EC.M. ~ 190 KeV e para o sistema 19F + 12C em 22 MeV < EC.M. < 24.5 MeV com EC.M. ~ 20 KeV. As funções de excitação obtidas apresentam fortes flutuações. As larguras médias destas flutuações foram obtidas através da análise das funções de correlação em energia. Para o sistema 16O + 10B foram obtidas larguras da ordem de 25 KeV e 350 KeV. Para o sistema 19F + 12C obteve-se larguras da ordem de 40 KeV. As larguras menores, para ambos os sistemas, apresentam comportamento aproximadamente constante, tanto em função da energia de excitação dos fragmentos no canal de saída quanto em função do ângulo de emissão destes fragmentos. Estas larguras sugerem que o tempo de vida do sistema intermediário, da ordem de 2 x 10-20 s, seja muito superior ao seu tempo de rotação, condizente com o previsto para um mecanismo de fusão-fissão. A largura maior obtida para o sistema 16O + 10B apresenta, no canal de espalhamento elástico, uma dependência clara com o ângulo de espalhamento. Esta largura, assim como a dependência angular observada, sugere que o tempo de vida do sistema intermediário seja levemente superior ao tempo de revolução do mesmo. Estes fatos sugerem que o mecanismo responsável por estas flutuações seja o \"orbiting\" nuclear. Foram feitas comparações com modelos onde há a formação de núcleo composto e \"orbiting\" nuclear e os resultados obtidos são consistentes com os dados experimentais. / Binary decay cross section measurements have been performed for the system 16O + 10B at 22 MeV < EC.M. < 24.5 MeV (EC.M. ~ 20 KeV) and 17 MeV < EC.M. < 25 MeV (EC.M. ~ 190 KeV ) and for the system 19F + 12C at 22 MeV < EC.M. < 24.5 MeV (EC.M. ~ 20 KeV). The binary fragments were identified by the kinematic coincidence technique. The excitation functions for these systems show strong fluctuations and their average widths were obtained through the analysis of energy correlation functions. The small widths observed for the 16O + 10B (about 20 KeV) and 19F + 12C (about 40 KeV) systems show a constant behavior with the fragments excitation energy and scattering angle. These widths correspond to an intermediate system time scale of about 2 x 10-20 s which is larger than its revolution time. These features suggest the presence of the fusion-fission mechanism, where the compound nucleus spends a lot of time to acquire a relaxed form and thermal equilibrium. For the 16O + 10B system, larger widths (about 350 KeV) were also observed which are related to a faster process. These widths show a clear dependence with the scattering angle in the elastic scattering channel. These aspects are expected for a process where the time scale is comparable to the intermediate system revolution time, like an orbiting mechanism. Theoretical predictions for fusion-fission and orbiting mechanisms were compared to the experimental results and a good agreement was observed.

In this work we investigated the excitation of Alfvén eigenmodes in tokamaks using external antennas to the plasma column. The basic theory of Alfvén waves is revised, including non-ideal effects such as resistivity. Then the theoretical model for excitation Alfvén waves in a cylindrical plasma column, developed by Kurt Appert, is shown in detail, as an introduction to the more complex problem of Alfvén waves in toroidal plasmas. The cylindrical model is implemented in a numerical code, which is used to study the excitation of Global Alfvén Waves (GAWs), below to the so-called Continuum of Alfvén, in TCABR and JET tokamaks, using a realistic description of their antenna systems. In the sequel, it is given a brief description of Toroidal Alfvén eigenmodes (TAEs) that are excited in the gaps of the Continuum of Alfvén created by the periodicity condition of the toroidal configuration. The excitement of these modes in JET tokamak is studied using the codes HELENA, for reconstruction of magneto-hydrodynamic equilibrium, and CASTOR, which calculates the perturbed fields in this equilibrium, coupled with instability or modes excited within the magneto-resistive hydrodynamic model. This study was carried out in order to determine, consistently, the spectrum quality and the eigenmodes associated with TAEs, with different numbers toroidal n, excited by the new JET antenna system. In particular, it was investigated in detail the effect of the phases of the supply currents of the different modules (eight) of the antenna system in the quality of the excited spectrum, using an original method, implemented in this work, based on the CASTOR code. The results indicate that, although the excitation of a certain mode may be a privileged by an optimized choice of phases, satellite modes can also be excited with higher amplitude, so that the purity of the spectrum is not substantially improved. This is the main result obtained in this work. / Neste trabalho é investigada a excitação de modos própios de Alfvén em tokamaks, utilizando antenas externas à coluna de plasma. A teoria básica das ondas de Alfvén é revista, incluindo efeitos não ideais, como resistividade. A seguir, o modelo teórico para excitação de ondas de Alfvén numa coluna cilindrica de plasma, desenvolvido por Kurt Appert, é apresentado em detalhe, como introdução ao problema mais complexo de ondas de Alfvén em plasmas toroidais. O modelo cilindrico é implementado em um código numérico, que é utilizado para estudar a excitação de modos globais de Alfvén (GAWs - Global Alfvén Waves), abaixo do chamado Continuo de Alfvén, nos tokamaks TCABR e JET, utilizando uma descrição realista de seus sistemas de antenas. A seguir é feita uma breve descrição dos auto modos toroidais de Alfvén (TAEs - Toroidal Alfvén Eigenmodes) que são excitados nas brechas do Continuo de Alfvén criadas pela condição de periodicidade em configurações toroidais. A excitação desses modos no tokamak JET é estudada utilizando os códigos HELENA, para reconstrução do equilíbrio magneto-hidrodinâmico, e CASTOR, que calcula os campos perturbados nesse equilíbrio, associados a instabilidades ou modos excitados, dentro do modelo magneto-hidrodinâmico resistivo. Esse estudo foi feito com o objetivo de determinar, de forma consistente, a qualidade do espectro e as auto-funções associadas a TAEs, com diferentes números toroidais n, excitados pelo atual sistema de antenas do JET. Em particular, foi investigado em detalhe o efeito das fases das correntes de alimentação dos diferentes módulos (oito) do sistema de antenas na qualidade do espectro excitado, utilizando um método original, implementado neste trabalho, de utilizar o código CASTOR. Os resultados indicam que embora a excitação de um determinado modo possa ser privilegiado por uma escolha ótima das fases, modos satélites também podem ser excitados com maior amplitude, de modo que a pureza do espectro não é substancialmente melhorada. Este é o principal resultado obtido neste trabalho.

Nesta tese de doutoramento foram propostos dois modelos teóricos (ZPM e GFA) para a obtenção da seção de choque de fusão e um (ZPM) para o cálculo do potencial de polarização para o canal elástico e correspondente seção de choque de espalhamento. Foi usado em todos os cálculos deste trabalho, tanto no tratamento da fusão quanto no do espalhamento elástico, o Potencial de São Paulo (SP), que possui como uma das principais características a total ausência de parâmetros ajustáveis. Conseqüentemente, todos os cálculos apresentados no contexto de diferentes modelos constituem previsões teóricas ao invés de simples ajustes de dados. Em uma análise comparativa acerca dos cálculos para a fusão, os modelos GFA e ZPM se mostraram equivalentes e compatíveis com cálculos de canais acoplados usuais, com a vantagem de incorporarem acoplamentos à toda banda vibracional e de permitirem a obtenção de cálculos acurados de seções de choque de fusão em energias extremamente abaixo da barreira. Aplicamos o modelo de ZPM ao cálculo da função de excitação de fusão para 112 sistemas de íons pesados, envolvendo tanto núcleos par-par como núcleos ímpar-par e ímpar-ímpar (incluindo alguns núcleos fracamente ligados), e confrontamos os resultados obtidos com dados experimentais existentes na literatura. Enquanto o modelo de penetração de barreira não-deformado prevê discordâncias de até onze ordens de magnitude, as previsões do modelo de ZPM mostraram-se de acordo com os dados dentro de duas ordens de grandeza. Ao confrontarmos os resultados do modelo de ZPM para as seções de choque de espalhamento elástico com dados experimentais para alguns sistemas em energias em torno da barreira coulombiana, pudemos constatar uma boa concordância. Desta forma, demonstramos que é possível tratar os canais de espalhamento elástico e de fusão de maneira consistente dentro do mesmo contexto. / In this Ph.D. thesis two theoretical models (ZPM and GFA) were proposed in order to obtain fusion cross sections and one (ZPM) to calculate the polarization potential for the elastic channel and the corresponding scattering cross section. The São Paulo (SP) potential, which has as one of its main characteristics the complete absence of adjustable parameters, was used as bare interaction in the calculations of the present work. Therefore, all results, presented in the context of different models, correspond to theoretical predictions instead of simply data fit. After a comparative analysis of fusion calculations, the GFA and ZPM models demonstrated to be equivalents and compatible with the usual coupled channel calculations, with the advantage of incorporating inelastic couplings to the complete vibrational band and of providing accurate fusion cross sections at extreme low energies relative to the Coulomb barrier. We applied the ZPM model to the calculation of the fusion excitation function for 112 heavy-ion systems, involving not only even-even nuclei but also odd-even and odd-odd ones (including some weakly-bound nuclei), and we compared the theoretical results with experimental data existing in literature. While the usual non-deformed barrier penetration model provides enhancements up to eleven orders of magnitude, the ZPM model predictions are in good agreement with the data within only two orders of magnitude. When confronting the ZPM model results with experimental data of elastic scattering cross sections for some systems, at energies around the Coulomb barrier, we found out good agreement between them. Therefore, we demonstrated that it is possible to treat the elastic scattering and fusion channels in a consistent manner, within the same context.

Esta dissertação se propõe a uma investigação teórica sobre a propagação de ondas de Alfvén e geodésicas no plasma de um Tokamak, destacando suas funcionalidades na viabilidade da construção de um futuro reator de fusão nuclear para a produção de energia. O Tokamak se trata de uma câmara toroidal onde o plasma fica confinado sob efeitos de um forte campo magnético a fim de alcançar altas temperaturas, necessárias para atingir as condições necessárias para a fusão nuclear. Foram abordadas as ondas de Alfvén e mais profundamente os Modo Acústico Geodésicos. Para ondas de Alfvén estão descritas, a sua natureza, uma onda comum a qualquer plasma sujeito a um campo magnético, quando devidamente perturbado ondas de Alfvén se propagam ao longo destas linhas de campo, também são relatadas suas possíveis aplicações. É descrito um estudo teórico onde se encontra os modos de Alfvén em coordenadas cilíndricas, uma aproximação para tokamaks com alta razão de aspecto. No caso dos Modos Acústico Geodésicos, GAM, onde sua origem está na curvatura toroidal do Tokamak, se tratam de perturbação de pressão que se propaga poloidalmente, tendo configurações simétricas ao longo do toroide, possuindo número toroidal $N=0$, e número poloidal $M=0,\\pm 1,\\pm 2 , ... $. É abordado suas possíveis aplicações e também um efeito de natureza estranha onde modos de Alfvén interagem com GAM. Por fim, segue uma investigação teórica sobre os efeitos de rotação de elétrons e íons, na forma do fluxo de cada partícula ao longo das linhas de campo magnético, na relação de dispersão e instabilidades de GAM. Em prosseguimento à investigação teórica sobre os efeitos de rotação, segue uma breve análise de dados fornecidos pelo Instituto de Física de Plasma da Academia Tcheca de Ciências, obtidos no COMPASS, onde é demonstrada uma possível correspondência qualitativa da dispersão e instabilidades de GAM com a teoria desenvolvida. / This work intends to present a theorical treatment of Alfven and geodesic wave behavior in tokamak plasma, showing their function on the viability study for the construction of a fusion reactor for energy production. The Tokamak is a toroidal chamber where the plasma stays confined under effects of a strong magnetic field where its can reach high temperature in necessary conditions for nuclear fusion. It is presented the behavior of Alfvén waves and deeper Geodesic Acoustic Modes. For Alfvén waves, it is described it\'s nature, a comum wave in any plasma under magnetic field, when properly perturbed, Alfvén waves can propagate on the magnetic field line, also it is presented possible applications. It\'s presented a theorical treatment where Alfvén modes in cilindrical coordinates, approximation for Tokamak with high aspect ratio. In Geodesic Acoustic Mode, GAM, driven by the todoidal curvature and symmetry of Tokamak, it is showed possible applications and a interaction with Alfvén waves. A perturbation that propagate in poloidal direction, symmetrical in toroidal direction, with toroidal number $N=0$ and poloidal number $M = 0, \\pm 1, \\pm 2 , ...$, a theorical treatment on rotation effects of electrons and ions in form of flux along the magnetic field line, on dispersion relation and instability of GAM is presented. In the end, it is presented a data analysis on COMPASS shoots, where is showed a possible qualitative correspondence between GAM dispersion and instabilities with the theory and experiment.