Neste trabalho foram estudadas instabilidades magnetohidrodinâmicas (MHD) utilizando um novo sistema bolométrico que foi instalado no tokamak TCABR para medidas da evolução temporal da potência irradiada. Este novo sistema conta com 24 cordas verticais, capazes de mapear toda uma secção poloidal da coluna de plasma com resolução espacial de aproximadamente 2 cm e uma resolução temporal de 20 µs. Como se sabe, as instabilidades MHD degradam o connamento do plasma e modicam a topologia das superfícies magnéticas, causando a perda da energia do plasma. Por conta disso, compreender essas instabilidades é fundamental para o sucesso dos futuros reatores de fusão nuclear. As perturbações (oscilações) causadas pelas instabilidades MHD modulam diversos parâmetros macroscópicos do plasma como a densidade, a temperatura e a potência irradiada. Então, utilizando o diagnóstico bolométrico, é possível medir as oscilações no perl de potência irradiada e, a partir deles, extrair informações importantes para determinar a origem e as características de tais instabilidades. No tokamak TCABR, as instabilidades foram caracterizadas através da análise espectral dos 24 sinais provenientes do novo sistema bolométrico. Para auxiliar a caracterização das instabilidades, um programa foi desenvolvido em Matlab para simular as medidas das perturbações no perl de potência irradiada. Através do mesmo procedimento de análise espectral, os resultados simulados foram comparados aos experimentais de forma que os parâmetros simulados, como largura e posição das ilhas magnéticas, fossem ajustados aos experimentais. Através dessa metodologia de análise, que combina simulação e experimento, foi possível caracterizar diversas instabilidades como o precursor dos dentes de serra e ilhas magnéticas de modos m = 2 e m = 3. / In this dissertation, magnetohydrodynamic (MHD) instabilities were investigated using a new bolometric system that was installed in the TCABR tokamak for radiation power measurements. This diagnostic is composed by 24 vertical chords that provide a full view of the poloidal cross section of the plasma column and provides spatial and temporal proles with approximately 2 cm space and 20 µs time resolution. As it is well known, the MHD instabilities degrade the plasma connement and modify the magnetic topology, leading to energy loss from the plasma. Therefore, the understanding of these instabilities is essential for the success of the controlled thermonuclear fusion reactors. The MHD instabilities also cause perturbations (oscillations) in various macroscopic parameters, such as plasma density, temperature, and radiated power. Therefore, the oscillations in the radiated power prole measured by the bolometric diagnostic system provide a possibility to investigate the origin and features of the instabilities. In the TCABR tokamak, the instabilities were characterized by spectral analysis of the 24 vertical chords of the bolometric signals. In addition, a Matlab program was developed to simulate the integral characteristic of the oscillations in the radiated power measured by the bolometric system. The spectral analysis of the simulated signals is then compared with the spectral analysis of the bolometric signals. The simulated parameters, island width and radial position, were then adjusted to t the experimental spectrum results. Using this method of analysis, which combines experiment and simulation, it was possible to characterize various instabilities, such as sawtooth precursor and m = 2 and m = 3 magnetic islands.

Um injetor de pastilhas (pellets) de impurezas foi projetado, construído e instalado junto ao tokamak TCABR do Instituto de Física da Universidade de São Paulo - USP. O injetor é basicamente constituído por uma câmara com gás a alta pressão cuja vazão é controlada por uma bobina de acionamento rápido. Uma fonte de alta tensão (7kV) e alta corrente (6kA) foi construída para alimentar a bobina. Ao ser disparada, o gás propulsor (N2 ou He) acelera a pastilha para o interior do vaso do tokamak, sem que gás penetre no mesmo. Pastilhas de grafite cilíndricas com diâmetro de 0,4mm a 0,9mm, e comprimento de 0,5mm a 1mm, foram utilizadas para investigar a possibilidade de se mitigar os e*feitos de uma disrupção maior O processo de ablação da pastilha no TCABR foi investigado através de simulações que consideraram, de uma maneira simplificada, o resfriamento sofrido pelo plasma devido à propagação da pastilha no seu interior. O modelo, ao ser aplicado aos dados experimentais do tokamak T-10, por exemplo, apresentou resultados bastante encorajadores. Na maioria dos casos em que houve a injeção das pastilhas no TCABR, o plasma terminou devido ao surgimento de uma disrupção maior. Analisando a taxa de queda da corrente de plasma em dois instantes próximos ao fim da descarga, tanto para pulsos que sofreram uma disrupção natural quanto aos que sofreram um disrupção induzida (devido à injeção de pastilhas de grafite), constatou-se que a corrente de plasma decresce mais lentamente nos casos em que houve o disparo do injetor. Isto significa uma menor sobrecarga nos sistemas eletro-mecânicos do tokamak, em resultado à ocorrência da disrupção. A análise da atividade MHD foi realizada no entorno da disrupção causada pela injeção de pastilha. Observou-se, em conseqüência, uma redução da velocidade de rotação das ilhas magnéticas após o início da interação da pastilha com o plasma. Também constatou-se, em todos os disparos analisados, um aumento significativo da atividade MHD. Um outro resultado interessante foi a constatação de que a emissão de raios-X de altas energias decresce significativamente no final das descargas nas quais ocorre a injeção de pastilhas. / An impurity pellet injector has been projected, built and installed in the TCABR tokamak, at the Physics Institute of Physics of the University of São Paulo - USP. Basically, the injector is composed of a high pressure gas chamber, in which the gas flow (N2 or He) is controlled by a fast switch valve. An high voltage (7kA) and high electric current (6kA) power supply has been built to provide energy for the valve. When fired, the propellant gas move the pellet into the interior of the tokamak vessel. During this process, the gas is properly collected before reaching the tokamak vacuum chamber. For this work, cylindrical carbon pellets with 0,4mm to 0,9mm in diameter and 0,5mm to 1mm in length were chosen as to investigate how the hazardous effects of a major disruption could be mitigated. The pellet ablation process in TCABR was studied trough running simulations that take into account, in a simplified way, the cooling of the plasma by the propagating pellet. The model, when applied to the T-10 tokamak experimental data, for example, exhibited very encouraging results. For the TCABR tokamak, in most of the cases in which pellets were injected, the plasma was terminated because of the advent of a major disruption. By analyzing the plasma current decay rate in two time intervals - within the end of plasma discharges, with and without the injection of pellets, it was observed that the plasma current decays significantly slower when pellets are injected. Consequently the load on the tokamak\'s electromechanical systems is reduced. Fourier analysis has been carried out to investigate the MHD activity near the disruption time, caused by the pellet injection. It could be noticed a reduction on the magnetic island\'s velocity rotation, after the pellet-plasma interaction initiates. Also, for all discharges analyzed, the MHD activities increased in amplitude after the pellet-plasma interaction. Another interesting result refers to the fact that the hard X-ray emission was observed to decrease significantly within the end of discharges in which pellets were injected

Neste trabalho apresentamos o estudo da possivilidade de melhores regimes para o uso dos experimentos de aquecimento e geracao de corrente e fluxo de plasma no tokamak TCABR. Apresentamos um estudo dos efeitos de rotacao de plasma em baixa frequencia (low-frequency (LF)), penetração de campo eletromagnético, absorção e forças ponderomotoras no “Tokamak Chauffage Alfvén Brésilien" (TCABR) com ênfase na faixa de frequências de 0, 5–10, 0kHz. Os campos de LF são dirigidos pelo limitador magnético ergódico (ergodic magnetic limiter (EML)) no TCABR. Foi feito um estudo analítico das ondas de Alfvén e ressonância usando modelos simples. Um estudo num´erico tembém foi realizado utilizando três códigos, quais sejam, o código cinético toroidal, o código cilíndrico e o código ALTOK. / In this work we present the study of the determination the best regimes and parameters¶for the heating experiments and current generation and plasma flow in the tokamak TCABR. Study of effects of plasma rotation in low frequency (LF), field penetration, absorption and ponderomotive forces in “Tokamak Chauffage Alfvén Brésilien" (TCABR)is investigated with emphasis in the frequency range of 0, 5–10, 0kHz. The fields of LF are driven by the ergodic magnetic limiter (EML) in TCABR. A qualitative analytical study of the Alfvén waves and their resonances is performed using simple models. A numeric study was carried out using through three codes, called the kinetic totoidal code, the cylindrical code and the ALTOK code.

Submitted by Cristhiane Guerra (cristhiane.guerra@gmail.com) on 2017-01-26T13:30:08Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 7840328 bytes, checksum: 74229a382309ea0fcf42de5818cc899a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-26T13:30:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 7840328 bytes, checksum: 74229a382309ea0fcf42de5818cc899a (MD5) Previous issue date: 2016-08-25 / The aim of this work deals with the analysis of the mutual interaction between flow and magnetic fields that develops in a parallel-plate channel as soon as an external magnetic field is applied transversely to the plates. The fluid, electrically conductive, enters the channel under any velocity profile and will have its natural development within the channel changed by the applied magnetic field. With a coupled two-way interaction, the field will also be affected by the flow. The study of these interactions will be made from the two-dimensional version of the steady-state Navier-Stokes equations in the stream function formulation, coupled with the transport equation of the magnetic field. The solution of the governing equations will be obtained by the Generalized Integral Transform Technique (GITT). The results obtained for the velocity field, magnetic field and temperature field, as well as the associated scalar functions, are produced and compared with the literature on the basis of the main parameters of government: Reynolds number (Re), magnetic Reynolds number (Rem) and Hartmann number (Ha). In order to illustrate the consistency of the generalized integral transform technique, convergence analysis, are also performed and presented. / O objetivo do presente trabalho trata da análise da interação mútua escoamento/campo magnético que se desenvolve no interior de um canal de placas planas e paralelas ao se aplicar um campo magnético externo transversal. O fluido, eletricamente condutor, entra no canal sob um perfil qualquer de velocidade, e terá seu desenvolvimento natural afetado pelo campo magnético aplicado. Com uma interação acoplada de duas vias, o campo também será afetado pelo escoamento. O estudo dessas interações será efetuado a partir de uma formulação bidimensional das equações de Navier-Stokes, na formulação em função corrente, para escoamento em regime permanente, acoplada à equação de transporte do campo magnético. A solução das equações governantes será obtida através da Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT). Os resultados obtidos para o campo de velocidade e campo magnético, bem como suas funções escalares associadas, são produzidos e comparados aos da literatura em função dos principais parâmetros de governo: número de Reynolds (Re), número de Reynolds magnético (Rem) e número de Hartmann (Ha). Com o objetivo de ilustrar a consistência da técnica da transformada integral generalizada, análises de convergência são também efetuadas e apresentadas.

Neste trabalho apresentamos o estudo da possivilidade de melhores regimes para o uso dos experimentos de aquecimento e geracao de corrente e fluxo de plasma no tokamak TCABR. Apresentamos um estudo dos efeitos de rotacao de plasma em baixa frequencia (low-frequency (LF)), penetração de campo eletromagnético, absorção e forças ponderomotoras no “Tokamak Chauffage Alfvén Brésilien” (TCABR) com ênfase na faixa de frequências de 0, 5–10, 0kHz. Os campos de LF são dirigidos pelo limitador magnético ergódico (ergodic magnetic limiter (EML)) no TCABR. Foi feito um estudo analítico das ondas de Alfvén e ressonância usando modelos simples. Um estudo num´erico tembém foi realizado utilizando três códigos, quais sejam, o código cinético toroidal, o código cilíndrico e o código ALTOK. / In this work we present the study of the determination the best regimes and parameters¶for the heating experiments and current generation and plasma flow in the tokamak TCABR. Study of effects of plasma rotation in low frequency (LF), field penetration, absorption and ponderomotive forces in “Tokamak Chauffage Alfvén Brésilien” (TCABR)is investigated with emphasis in the frequency range of 0, 5–10, 0kHz. The fields of LF are driven by the ergodic magnetic limiter (EML) in TCABR. A qualitative analytical study of the Alfvén waves and their resonances is performed using simple models. A numeric study was carried out using through three codes, called the kinetic totoidal code, the cylindrical code and the ALTOK code.

Esta tese apresenta um modelo matemático para simulação numérica do escoamento com turbilhonamento (swirl) em tochas de plasma térmico de arco não transferido que operam em corrente contínua, assim como os resultados obtidos com as simulações para estudo de casos. O modelo magneto-hidrodinâmico (modelo MHD) bidimensional permitiu simular a interação entre o escoamento e o arco elétrico usando uma configuração axissimétrica, que abrange as seguintes regiões: entrada do gás; interior da tocha; jato de plasma livre no ambiente. O modelo foi implementado num código numérico baseado no Método dos Volumes Finitos para a solução numérica das equações governantes. Para os estudos foram simulados casos com diferentes condições operacionais (vazão de gás; intensidade de corrente elétrica; gases plasmogênicos: ar e argônio; intensidade de turbilhonamento). A fim de verificar a qualidade do modelo, alguns resultados foram comparados com a literatura e apresentaram boa concordância: a maior diferença obtida entre valores de temperatura experimentais e valores calculados foi -10%, e a média das diferenças obtidas nas comparações foi de aproximadamente ±3,2%. Os perfis de temperatura e de velocidade obtidos para a região do arco e para o jato de plasma resultante permitiram o estudo do comportamento do escoamento na tocha de plasma em diferentes condições. Conclui-se que o modelo desenvolvido é apto à realização de investigações numéricas do escoamento em tochas de plasma e dos efeitos do turbilhonamento na interação arco/escoamento. / This thesis presents a mathematical model for numerical simulation of swirling flow in DC non-transferred arc thermal plasma torches, as well as the results obtained from simulations to case studies. The two-dimensional magnetohydrodynamic model (MHD model) allowed simulate the interaction between the flow and the electric arc using an axisymmetric configuration, covering the following areas: gas inlet; inside the torch; free jet of plasma in the environment. The model was implemented in a computer code based on the Finite Volume Method (FVM) to enable the numerical solution of the governing equations. For the study, cases were simulated with different operating conditions (gas flow rate; electric current intensity; plasmogenic gases: air and argon; swirl intensity). In order to verify the quality of the model, some results were compared with the literature and showed good agreement: the biggest difference between experimental temperature values and calculated values was 10%, and the average of the differences obtained in the comparisons was approximately ±3.2%. The resulting profiles of temperature and velocity obtained for the region of the arc and the plasma jet allowed the study of the flow behavior in the plasma torch in different conditions. It is concluded that the model developed is able to carry out numerical investigations of the flow in plasma torches and the effects of swirl in the interaction arc/flow.

Submitted by Cássio da Cruz Nogueira (cassionogueirakk@gmail.com) on 2017-02-13T14:35:51Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_SolucoesHibridasTransformadas.pdf: 4506596 bytes, checksum: a15026cb83d1e9712967da31dae0f84a (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-02-14T16:37:26Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_SolucoesHibridasTransformadas.pdf: 4506596 bytes, checksum: a15026cb83d1e9712967da31dae0f84a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-14T16:37:26Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_SolucoesHibridasTransformadas.pdf: 4506596 bytes, checksum: a15026cb83d1e9712967da31dae0f84a (MD5) Previous issue date: 2015-06-26 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O presente estudo consiste em analisar a dinâmica do escoamento magnetohidrodinâmico de fluidos newtonianos condutores elétricos no interior de um canal de placas planas paralelas submetido a um campo magnético externo uniforme, em que a formulação matemática dos modelos é dada em termos de função corrente, obtida a partir das Equações de Navier-Stokes e da Equação da Energia. As suposições adotadas são de regime permanente, escoamento laminar e incompressível e propriedades físicas constantes. Admite-se também que o campo magnético externo, aplicado na direção normal ao escoamento, permanece uniforme, não sendo, dessa forma, influenciado por nenhum efeito magnético interno. Para a solução das equações governantes do problema físico, a Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT) é aplicada a este sistema de equações diferenciais parciais e uma solução híbrida (numérico-analítica), a qual é computacionalemente implementada utilizando-se a linguagem de programação científica FORTRAN 90. Com o objetivo de ilustrar a consistência da técnica da transformação integral, análises de convergência são efetuadas e apresentadas. Resultados para os campos de velocidade e de temperatura, bem como potenciais correlatos são gerados e comparados com os da literatura em função dos principais parâmetros de governo. Uma análise aprofundada sobre a sensibilidade paramétrica dos principais parâmetros adimensionais, tais como número de Reynolds, número de Hartmann, número de Eckert, parâmetro elétrico e número de Prandtl, para algumas situações típicas é realizada. / The present study is to analyze the dynamics of the magnetohydrodynamic flow of electrical conductors newtonian fluids within a parallel flat plate channel subjected to a uniform external magnetic field, wherein the mathematical formulation of the model is given in terms of stream-function, obtained from the Navier-Stokes equations and the Energy Equation. The adopted assumptions are steady state, laminar and incompressible flow and constant physical properties. It is also admitted that the external magnetic field applied in the normal direction of flow remains uniform, not being thus influenced by any internal magnetic effect. For the solution of the governing equations, the Generalized Integral Transform Technique (GITT) is applied to this system of partial differential equations and a hybrid solution (numerical and analytical), which is computationally implemented using the programming scientific language FORTRAN 90. In order to illustrate the consistency of the integral transformation, convergence analysis is performed and presented. Results for velocity and temperature fields as well as potential correlates are generated and compared with the literature on the basis of the main parameters of government. An in-depth analysis of parametric sensitivity of the main dimensionless parameters such as the Reynolds number, Hartmann number, Eckert number, electric parameter and Prandtl number for some typical situations is performed.

Esta tese apresenta um modelo matemático para simulação numérica do escoamento com turbilhonamento (swirl) em tochas de plasma térmico de arco não transferido que operam em corrente contínua, assim como os resultados obtidos com as simulações para estudo de casos. O modelo magneto-hidrodinâmico (modelo MHD) bidimensional permitiu simular a interação entre o escoamento e o arco elétrico usando uma configuração axissimétrica, que abrange as seguintes regiões: entrada do gás; interior da tocha; jato de plasma livre no ambiente. O modelo foi implementado num código numérico baseado no Método dos Volumes Finitos para a solução numérica das equações governantes. Para os estudos foram simulados casos com diferentes condições operacionais (vazão de gás; intensidade de corrente elétrica; gases plasmogênicos: ar e argônio; intensidade de turbilhonamento). A fim de verificar a qualidade do modelo, alguns resultados foram comparados com a literatura e apresentaram boa concordância: a maior diferença obtida entre valores de temperatura experimentais e valores calculados foi -10%, e a média das diferenças obtidas nas comparações foi de aproximadamente ±3,2%. Os perfis de temperatura e de velocidade obtidos para a região do arco e para o jato de plasma resultante permitiram o estudo do comportamento do escoamento na tocha de plasma em diferentes condições. Conclui-se que o modelo desenvolvido é apto à realização de investigações numéricas do escoamento em tochas de plasma e dos efeitos do turbilhonamento na interação arco/escoamento. / This thesis presents a mathematical model for numerical simulation of swirling flow in DC non-transferred arc thermal plasma torches, as well as the results obtained from simulations to case studies. The two-dimensional magnetohydrodynamic model (MHD model) allowed simulate the interaction between the flow and the electric arc using an axisymmetric configuration, covering the following areas: gas inlet; inside the torch; free jet of plasma in the environment. The model was implemented in a computer code based on the Finite Volume Method (FVM) to enable the numerical solution of the governing equations. For the study, cases were simulated with different operating conditions (gas flow rate; electric current intensity; plasmogenic gases: air and argon; swirl intensity). In order to verify the quality of the model, some results were compared with the literature and showed good agreement: the biggest difference between experimental temperature values and calculated values was 10%, and the average of the differences obtained in the comparisons was approximately ±3.2%. The resulting profiles of temperature and velocity obtained for the region of the arc and the plasma jet allowed the study of the flow behavior in the plasma torch in different conditions. It is concluded that the model developed is able to carry out numerical investigations of the flow in plasma torches and the effects of swirl in the interaction arc/flow.