Orientador: Paulo H. Sakanaka / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica "Gleb Wataghin" / Made available in DSpace on 2018-07-23T12:45:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Samogin_Euniced'Avila_D.pdf: 1282510 bytes, checksum: 4e68b6e2ad2de72e9046aa9187545b31 (MD5) Previous issue date: 1997 / Resumo: A geração de corrente por onda híbrida inferior LH ("lower hybrid"), é a técnica mais promissora para a obtenção de corrente contínua para se chegar à fusão termonuclear controlada. A exitência da "brecha espectral" ("spectral gap") não permite a conciliação satisfatória entre resultados teóricos e medidas experimentais da corrente gerada. A teoria tem previsto correntes sempre menores que as medidas. Neste trabalho apresentamos uma possível solução para a "brecha espectral", através de um código numérico que calcula a corrente gerada por ondas LH, usando a equação de Fokker-Planck Quasilinear em duas dimensões, levando em conta detalhes da ressonância das partículas com as ondas longitudinais (LH) e sua distribuição espectral / Abstract: Current drive by lower hybrid wave LH, is the most promising technique to obtain continuos current for the controlled thermonuclear fusion. The existence of "Spectral gap" forbid satisfactory match between theoretical results and experimental measurements of the generated current. The theory has always predicted smaller values. In this Thesis we show a possible solution for the spectral gap, by a numerical code which calculate the generated current by LH waves, using the "Quasi1inear Fokker-Planck" equation in two dimensions, taking in to account detai1s of ressonance between particles and the longitudinal LH waves and its spectral distribution / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

São analisados os campos eletromagnéticos de baixa frequência devidos a limitadores magnéticos ergódicos e desviadores ergódicos e a densidade de potência absorvida em plasmas cilíndricos de tokamaks, considerando os efeitos da deriva diamagnetica e da rotação de plasma com velocidade paralela às linhas de campo magnético de equilíbrio. É considerado o tensor dielétrico de plasma frio colisional para esse modelo. Para a banda de frequências f < 30 kHz e modos com números poloidal/toroidal 31-1, para plasma com fator de segurança com crescimento monótono, e 21-1, para plasma com fator de segurança com um mínimo entre o centro e a borda do mesmo, a densidade de potência absorvida é negativa para frequências menores que a específica de deriva de elétrons e pode ser entendida como uma instabilidade. Esse modo pode ser estabilizado a medida que a frequência se aproxima do valor do mínimo do contínuo de Alfvén na região da superfície magnética racional considerada. Para os modos -311 e -2/1 a densidade de potência absorvida é positiva. A rotação de plasma com velocidade de f106 cm/s no centro do plasma não tem efeitos significativos sobre os resultados em comparação com a deriva diamagnética. Para a banda de frequências 30 7 f < 150 kHz podem ser excitadas ondas de Alfvén de deriva rápidas. A excitação dessas ondas depende da derivada do fator de segurança e das derivadas das frequências angulares diamagnêticas, nos casos de cisalhamento quase nulo e de cisalhamento negativo no centro do plasma, sendo a resistência de antena positiva e oscilatória com os valores dos máximos crescendo com a frequência. Ondas de Alfvén globais são excitadas no centro do plasma para modos poloidal/toroidal com sinais opostos (M/N<O) para plasmas com fator de segurança com crescimento monótono e fre- qüências menores que a mínima do contínuo de Alfvén. Os campos magnéticos do limitador magnético ergódico e do desviador ergódico comlsem a reação do plasma apresentam grandes diferenças. / Low frequency fields and power density absorption excited by ergodic magnetic lirniters and ergodic divertors are analyzed under the influence of the diamagrietic drift effect and the plasma rotation, whicli is parallel to the magnetic field, in the cylindrical plasma model of tokamaks. The dielectric tensor for that model is taken in the collisiorial cold plasma limit. For the frequency band f < 30 kHz the power density absorption for modes witli poloidal/toroidal numbers 31-1 in the plasma with monotonically growing safety factor and 21-1 for the plasma with safety factor with a minimum between the plasma core and the edge, is found to be negative for frequencies below a specific electron drift angular frequency and it can be understood as an instability. The unstable mode can be stabilized as the frequency approaclies tlie Alfvén continuum minimum at the position of the rational magnetic surface. For the modes -311 and -211 the power density absorption is positive. The plasma rotation with core velocity f106 cm/s has no effect in comparison with diamagnetic drift. For the frequency band 30 7 f < 150 kHz it is shown that fast drift Alfvén waves can be excited as eigenmodes. The excitation of these waves depends on the derivatives of the safety factor and the diamagnetic drift angular frequencies in the cases of flat or negative shear in the plasma core and the antenna resistance is positive and oscillatory with the maxima growing with the frequency. Global Alfvén wave resonances are excited at the plasma core for poloidal/toroidal mode numbers with opposite signs (M/N<O) for a monotonically growing safety factor and the frequencies below the minimum of the Alfvén continuum. The ergodic magnetic limiter and ergodic divertor magnetic fields with/witliout the plasma back reaction shows strong differences.

Tokamaks de baixa razão de aspecto (LART), também chamados tokamaks esféricos (ST), são dispositivos concebidos teoricamente para ter um alto fator beta IND. T, típico de um disposito de efeito estrição de campo reverso (RFP) ou Spheromak (beta IND. T SETA INFINITO, mas com geometria similar a um ultra-LART), porém mantendo o confinamento de um tokamak convencional, adicionado às melhores propriedades de estabilidade. Aqui beta IND. T 3 BARRAS 91/ V IND. p) INT. pdV/(B IND. To POT. 2/ 2mü IND. 0), B IND. To 3 BARRAS B IND. T POT. vac (R IND. 0) e p é a pressão do plasma. START foi o primeiro LART a demonstrar essas caracterísiticas em temperaturas de T IND. i APROXIMADAMENTE IGUAL A T IND. e 10 POT. 2eV. O trabalho descrito nesta tese teve como objetivo o desenvolvimento e a utilização de sistemas de diagnóstivos para o estudo dos regimes de operação da densidade do plasma no START. Desenvolveu-se um interferômetro de dupla-passagem de feixe ao longo do plano médio horizontal do vaso, com a finalidade de medir a densidade média de linha do plasma. Esse interferômetro era composto de um laser HCN (337müm), uma mesa óptica e detectores (díodos Schottky). Mediu-se n BARRA IND. e < 10 POT. 18_ > 2x10 POT. 20m POT. -3. Desenvolveu-se um sistema de pré-ionização por ondas ressonantes elétron-ciclotrônicas, baseado num gerador klystron de 6GHz e P IND. ECR-P < ou =3kW, para o auxílio na ruptura elétrica do gás no regime Tokamak, reduzindo o valor de fluxo magnético necessário para romper e manter a descarga e aumentar sua reprodutibilidade. Observou-se, a pressões de preenchimento 1,1-1,5X10 POT. -5 mbar, uma maior reprodutibilidade da descarga e redução do tempo de ruptura do gás com o aumento de P IND. ECR-P. Colocou-se também em operação um injetor de pastilhas criogênicas (8-9K) de deutério, D IND.2, com o objetivo de aumentar a densidade ) do plasma. Esse era do tipo canhão de gás, de uma única pastilha com valores de massa 3 x 10 IND. 19 átomos e velocidadee de 50-400m/s, propulsiopnadas por gás H IND. 2 (0-4bar). Pastilhas forma injetadas da parte superior do START, quase verticalmente, na região de alto campo magnético do vaso, em regimes ôhmico e aquecido por feixes de partículas neutras (NBI), de alto e baixo beta IND. T, aumentando substancialmente a densidade. Com o uso desses diagnósticos, estudaram-se os regimes de alta e baixa densidade, Com injeção de gás, obteve-se n BARRA IND. e POT. max = 1,0x10 POT.20 densidade de Greenwald N IND. G POT. max APROXIMADAMENTE IGUAL À 0,9) e observou-se a contração da coluna do plasma e o colapso das descargas em duas fases, semelhante ao que ocorre nos Tokamaks convencionais. Observou-se um aumento da densidade com o uso de NBI, mas não da densidade de Greenwald. Obteve-se, também, via injeção de pastilha, simultaneamente, altas densidades (N IND. G 1,0-1,1), grande eficiência de reposição de partículas ( 100%) e melhoria no confinamento em descargas de altos valores de beta IND. T 9 23-27%). É provável que o limite de pressão tenha sido atingido. / Low Aspect Ratio Tokamaks (LARTs) or Spherical Tokamaks (STs) are devices theoretically conceived to have the high toroidal T of the Reversed- Field Pinch and Spheromak (T but similar geometry to an ultra-LART) whilst retaining the confinement of the conventional Tokamak together with improved stability. Here T = (1/Vp) f pdV/ (B2TO/2o) BT= BT (Ro), and p is the plasma pressure. START was the first LART to demonstrate these features at temperatures of Tt ~Te ~102eV. The work described in this thesis has aimed to develop and use diagnostics and their use for studying the density operating regimes on START. A double-pass mid plane interferometer was commissioned for measuring the plasma density. This system was composed by an existing HCN laser (337 ), an optical table, and detectors (Schottky diodes).

The destabilization of plasma waves upon their interaction with fast ions is studied using a kinetic framework. The work consists of two parts: (I) a study of the applicability of quasilinear theory using a pertubative, early-time nonlinear evolution of a mode and its prediction with respect to chirping oscillations, and (II) the resonance-broadened quasilinear formulation of the evolution of unstable modes. In part I, we have developed predictive capabilities for the type of fast-ion-induced transport by means of a criterion for the likelihood of a mode to oscillate at a constant frequency or to evolve to a bifurcation consisting of nonlinear chirping oscillations. The proposed criterion is derived and evaluated using the linear codes NOVA and NOVA-K. The criterion was shown to be in agreement with experimentally observed modes in the tokamaks DIII-D and NSTX. The analysis reveals that micro-turbulence is a key mediator for suppressing chirping and therefore allowing quasilinear theory to be applicable. In part II, a system of resonance-broadened quasilinear equations (RBQ) was derived using action and angle variables, which takes advantage of system symmetries by using the invariants of the unperturbed motion as variables when accounting for the effects of perturbations due to modes. The equations capture information on mode structures and on resonances that are spread over phase space. We then expressed them in terms of NOVA code notation. The RBQ model is presented, along with the finite-difference scheme used for numerical integration. Numerical results and future developments are also described. / A desestabilização de ondas em plasmas quando de sua interação com íons rápidos é estudada utilizando a abordagem cinética. Este trabalho consiste em duas partes: (I) um estudo sobre a aplicabilidade da teoria quase-linear, utilizando a evolução não linear perturbada em seu estágio inicial de um modo e sua previsão com respeito às oscilações do tipo gorjeio (chirping), e (II) a formulação quase-linear de ressonâncias alargadas da evolução de modos instáveis. Na parte I, desenvolvemos capacidades preditivas em relação ao tipo de transporte in- duzido por íons rápidos por meio de um critério a respeito da probabilidade de um modo oscilar com uma frequência constante ou evoluir para uma bifurcação que consista de os- cilações de gorjeio não lineares. O critério proposto é derivado e calculado utilizando os códigos lineares NOVA e NOVA-K. Mostramos que o critério obtido concorda com modos observados experimentalmente nos tokamaks DIII-D e NSTX. A análise revela que a mi- croturbulência é um mediador-chave na supressão dos gorjeios e que, portanto, permite que a teoria quase-linear seja aplicável. Na parte II, um sistema de equações quase-lineares com ressonâncias alargadas (RBQ) foi derivado utilizando variáveis de ângulo e ação, tirando-se proveito das simetrias do sistema ao se tomar como variáveis os invariantes do movimento não perturbado quando consideramos os efeitos das perturbações aos modos. As equações capturam as informações sobre a estrutura dos modos e sobre as ressonâncias que se espalham sobre o espaço de fase. Expressamo-las, então, em termos da notação do código NOVA. O modelo RBQ é apresentado, juntamente com um esquema de diferenças finitas, utilizado para a integração numérica. Resultados numéricos e desenvolvimentos futuros também são descritos.

Tokamaks de baixa razão de aspecto (LART), também chamados tokamaks esféricos (ST), são dispositivos concebidos teoricamente para ter um alto fator beta IND. T, típico de um disposito de efeito estrição de campo reverso (RFP) ou Spheromak (beta IND. T SETA INFINITO, mas com geometria similar a um ultra-LART), porém mantendo o confinamento de um tokamak convencional, adicionado às melhores propriedades de estabilidade. Aqui beta IND. T 3 BARRAS 91/ V IND. p) INT. pdV/(B IND. To POT. 2/ 2mü IND. 0), B IND. To 3 BARRAS B IND. T POT. vac (R IND. 0) e p é a pressão do plasma. START foi o primeiro LART a demonstrar essas caracterísiticas em temperaturas de T IND. i APROXIMADAMENTE IGUAL A T IND. e 10 POT. 2eV. O trabalho descrito nesta tese teve como objetivo o desenvolvimento e a utilização de sistemas de diagnóstivos para o estudo dos regimes de operação da densidade do plasma no START. Desenvolveu-se um interferômetro de dupla-passagem de feixe ao longo do plano médio horizontal do vaso, com a finalidade de medir a densidade média de linha do plasma. Esse interferômetro era composto de um laser HCN (337müm), uma mesa óptica e detectores (díodos Schottky). Mediu-se n BARRA IND. e < 10 POT. 18_ > 2x10 POT. 20m POT. -3. Desenvolveu-se um sistema de pré-ionização por ondas ressonantes elétron-ciclotrônicas, baseado num gerador klystron de 6GHz e P IND. ECR-P < ou =3kW, para o auxílio na ruptura elétrica do gás no regime Tokamak, reduzindo o valor de fluxo magnético necessário para romper e manter a descarga e aumentar sua reprodutibilidade. Observou-se, a pressões de preenchimento 1,1-1,5X10 POT. -5 mbar, uma maior reprodutibilidade da descarga e redução do tempo de ruptura do gás com o aumento de P IND. ECR-P. Colocou-se também em operação um injetor de pastilhas criogênicas (8-9K) de deutério, D IND.2, com o objetivo de aumentar a densidade ) do plasma. Esse era do tipo canhão de gás, de uma única pastilha com valores de massa 3 x 10 IND. 19 átomos e velocidadee de 50-400m/s, propulsiopnadas por gás H IND. 2 (0-4bar). Pastilhas forma injetadas da parte superior do START, quase verticalmente, na região de alto campo magnético do vaso, em regimes ôhmico e aquecido por feixes de partículas neutras (NBI), de alto e baixo beta IND. T, aumentando substancialmente a densidade. Com o uso desses diagnósticos, estudaram-se os regimes de alta e baixa densidade, Com injeção de gás, obteve-se n BARRA IND. e POT. max = 1,0x10 POT.20 densidade de Greenwald N IND. G POT. max APROXIMADAMENTE IGUAL À 0,9) e observou-se a contração da coluna do plasma e o colapso das descargas em duas fases, semelhante ao que ocorre nos Tokamaks convencionais. Observou-se um aumento da densidade com o uso de NBI, mas não da densidade de Greenwald. Obteve-se, também, via injeção de pastilha, simultaneamente, altas densidades (N IND. G 1,0-1,1), grande eficiência de reposição de partículas ( 100%) e melhoria no confinamento em descargas de altos valores de beta IND. T 9 23-27%). É provável que o limite de pressão tenha sido atingido. / Low Aspect Ratio Tokamaks (LARTs) or Spherical Tokamaks (STs) are devices theoretically conceived to have the high toroidal T of the Reversed- Field Pinch and Spheromak (T but similar geometry to an ultra-LART) whilst retaining the confinement of the conventional Tokamak together with improved stability. Here T = (1/Vp) f pdV/ (B2TO/2o) BT= BT (Ro), and p is the plasma pressure. START was the first LART to demonstrate these features at temperatures of Tt ~Te ~102eV. The work described in this thesis has aimed to develop and use diagnostics and their use for studying the density operating regimes on START. A double-pass mid plane interferometer was commissioned for measuring the plasma density. This system was composed by an existing HCN laser (337 ), an optical table, and detectors (Schottky diodes).

The destabilization of plasma waves upon their interaction with fast ions is studied using a kinetic framework. The work consists of two parts: (I) a study of the applicability of quasilinear theory using a pertubative, early-time nonlinear evolution of a mode and its prediction with respect to chirping oscillations, and (II) the resonance-broadened quasilinear formulation of the evolution of unstable modes. In part I, we have developed predictive capabilities for the type of fast-ion-induced transport by means of a criterion for the likelihood of a mode to oscillate at a constant frequency or to evolve to a bifurcation consisting of nonlinear chirping oscillations. The proposed criterion is derived and evaluated using the linear codes NOVA and NOVA-K. The criterion was shown to be in agreement with experimentally observed modes in the tokamaks DIII-D and NSTX. The analysis reveals that micro-turbulence is a key mediator for suppressing chirping and therefore allowing quasilinear theory to be applicable. In part II, a system of resonance-broadened quasilinear equations (RBQ) was derived using action and angle variables, which takes advantage of system symmetries by using the invariants of the unperturbed motion as variables when accounting for the effects of perturbations due to modes. The equations capture information on mode structures and on resonances that are spread over phase space. We then expressed them in terms of NOVA code notation. The RBQ model is presented, along with the finite-difference scheme used for numerical integration. Numerical results and future developments are also described. / A desestabilização de ondas em plasmas quando de sua interação com íons rápidos é estudada utilizando a abordagem cinética. Este trabalho consiste em duas partes: (I) um estudo sobre a aplicabilidade da teoria quase-linear, utilizando a evolução não linear perturbada em seu estágio inicial de um modo e sua previsão com respeito às oscilações do tipo gorjeio (chirping), e (II) a formulação quase-linear de ressonâncias alargadas da evolução de modos instáveis. Na parte I, desenvolvemos capacidades preditivas em relação ao tipo de transporte in- duzido por íons rápidos por meio de um critério a respeito da probabilidade de um modo oscilar com uma frequência constante ou evoluir para uma bifurcação que consista de os- cilações de gorjeio não lineares. O critério proposto é derivado e calculado utilizando os códigos lineares NOVA e NOVA-K. Mostramos que o critério obtido concorda com modos observados experimentalmente nos tokamaks DIII-D e NSTX. A análise revela que a mi- croturbulência é um mediador-chave na supressão dos gorjeios e que, portanto, permite que a teoria quase-linear seja aplicável. Na parte II, um sistema de equações quase-lineares com ressonâncias alargadas (RBQ) foi derivado utilizando variáveis de ângulo e ação, tirando-se proveito das simetrias do sistema ao se tomar como variáveis os invariantes do movimento não perturbado quando consideramos os efeitos das perturbações aos modos. As equações capturam as informações sobre a estrutura dos modos e sobre as ressonâncias que se espalham sobre o espaço de fase. Expressamo-las, então, em termos da notação do código NOVA. O modelo RBQ é apresentado, juntamente com um esquema de diferenças finitas, utilizado para a integração numérica. Resultados numéricos e desenvolvimentos futuros também são descritos.

São analisados os campos eletromagnéticos de baixa frequência devidos a limitadores magnéticos ergódicos e desviadores ergódicos e a densidade de potência absorvida em plasmas cilíndricos de tokamaks, considerando os efeitos da deriva diamagnetica e da rotação de plasma com velocidade paralela às linhas de campo magnético de equilíbrio. É considerado o tensor dielétrico de plasma frio colisional para esse modelo. Para a banda de frequências f < 30 kHz e modos com números poloidal/toroidal 31-1, para plasma com fator de segurança com crescimento monótono, e 21-1, para plasma com fator de segurança com um mínimo entre o centro e a borda do mesmo, a densidade de potência absorvida é negativa para frequências menores que a específica de deriva de elétrons e pode ser entendida como uma instabilidade. Esse modo pode ser estabilizado a medida que a frequência se aproxima do valor do mínimo do contínuo de Alfvén na região da superfície magnética racional considerada. Para os modos -311 e -2/1 a densidade de potência absorvida é positiva. A rotação de plasma com velocidade de f106 cm/s no centro do plasma não tem efeitos significativos sobre os resultados em comparação com a deriva diamagnética. Para a banda de frequências 30 7 f < 150 kHz podem ser excitadas ondas de Alfvén de deriva rápidas. A excitação dessas ondas depende da derivada do fator de segurança e das derivadas das frequências angulares diamagnêticas, nos casos de cisalhamento quase nulo e de cisalhamento negativo no centro do plasma, sendo a resistência de antena positiva e oscilatória com os valores dos máximos crescendo com a frequência. Ondas de Alfvén globais são excitadas no centro do plasma para modos poloidal/toroidal com sinais opostos (M/N<O) para plasmas com fator de segurança com crescimento monótono e fre- qüências menores que a mínima do contínuo de Alfvén. Os campos magnéticos do limitador magnético ergódico e do desviador ergódico comlsem a reação do plasma apresentam grandes diferenças. / Low frequency fields and power density absorption excited by ergodic magnetic lirniters and ergodic divertors are analyzed under the influence of the diamagrietic drift effect and the plasma rotation, whicli is parallel to the magnetic field, in the cylindrical plasma model of tokamaks. The dielectric tensor for that model is taken in the collisiorial cold plasma limit. For the frequency band f < 30 kHz the power density absorption for modes witli poloidal/toroidal numbers 31-1 in the plasma with monotonically growing safety factor and 21-1 for the plasma with safety factor with a minimum between the plasma core and the edge, is found to be negative for frequencies below a specific electron drift angular frequency and it can be understood as an instability. The unstable mode can be stabilized as the frequency approaclies tlie Alfvén continuum minimum at the position of the rational magnetic surface. For the modes -311 and -211 the power density absorption is positive. The plasma rotation with core velocity f106 cm/s has no effect in comparison with diamagnetic drift. For the frequency band 30 7 f < 150 kHz it is shown that fast drift Alfvén waves can be excited as eigenmodes. The excitation of these waves depends on the derivatives of the safety factor and the diamagnetic drift angular frequencies in the cases of flat or negative shear in the plasma core and the antenna resistance is positive and oscillatory with the maxima growing with the frequency. Global Alfvén wave resonances are excited at the plasma core for poloidal/toroidal mode numbers with opposite signs (M/N<O) for a monotonically growing safety factor and the frequencies below the minimum of the Alfvén continuum. The ergodic magnetic limiter and ergodic divertor magnetic fields with/witliout the plasma back reaction shows strong differences.

Experiments on several tokamaks convincingly demonstrated that a deliberate seeding of selected impurities can have a positive effect on the plasma performance. On the one hand, a significant reduction of the head load on divertor plates, one of the main concerns by constructing a thermonuclear reactor, has been achieved due to the increase of edge radiation. On the other hand, in some devices impurity seeding has led to an improvement of the energy confinement and the so called radiation improved (RI) mode has been established with the same or even better confinement than in the H-mode. However, in order to make use of these positive impacts, the behaviour of seeded impurity has to be strictly controlled and such negative developments as the accumulation of impurity ions in the plasma core accompanied by a strong increase of the central radiation losses should be avoided.<p><p>Plasma heating by radio-frequency (RF) waves has been proven to be a useful tool to control the behaviour of puffed impurities. In order to asses the prospective of impurity control by RF waves in larger devices and under reactor conditions, proper modelling approaches have been developed. One of the important parameters, which should be evaluated, is the averaged energy or temperature of heated impurity ions. The latter determines, in particular, the power transported to the main species, and, thus, the heating efficiency. Besides, the temperature of impurity ions characterizes the intensity of particle losses for heated impurities. An approach to compute the impurity temperature under such conditions is elaborated. It is based on the construction of a hierarchy of approximate solutions to the impurity heat balance equation and takes into account that the density and, thus, the heat conductivity of heated ion species can change by many orders of magnitude with the position in the plasma. The developed method has been incorporated into 1D transport code RITM. Coupled with the full wave code TORIC, the particle and heat balances for impurity and main plasma species provide a self-consistent approach to model the ion cyclotron resonance heating (ICRH) scenario. The modelling of various heating scenarios for several tokamaks displays the impacts of impurity heating on the heat and particles transport and heating efficiency. To investigate the possibility of impurity control at the large tokamak the experiment on selective impurity heating in the mode conversion H/D plasma was prepared and carried out in the tokamak JET.<p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p><p> / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2000. / Vita. Includes bibliographical references (leaves [328]-333).