Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, Programa de Pós-Graduação em Física, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-06-14T21:00:42Z No. of bitstreams: 1 2017_FelipeNathandeOliveiraLopes.pdf: 2581164 bytes, checksum: b145a85dc2b652f6416a58481ed46516 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-08-18T17:30:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_FelipeNathandeOliveiraLopes.pdf: 2581164 bytes, checksum: b145a85dc2b652f6416a58481ed46516 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-18T17:30:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_FelipeNathandeOliveiraLopes.pdf: 2581164 bytes, checksum: b145a85dc2b652f6416a58481ed46516 (MD5) Previous issue date: 2017-08-18 / Plasmas confinados em diferentes topologias magnéticas são uma tarefa importante na busca pela Energia de Fusão. Hoje em dia, as formas mais estudadas de Fusão Termonuclear Controlada focam em Confinamento Inercial, Stellarators e Tokamaks. No presente trabalho, estudaremos os diferentes mecanismos de transporte presentes nos plasmas toroidalmente confinados. Vamos rever a teoria a partir dos conceitos básicos de transporte de plasma, até as peculiaridades presentes em plasmas toroidalmente confinados, conhecido como tokamak. Na fronteira do modelo de transporte mais realista, a questão do transporte anômalo será tratada com a teoria do transporte turbulento, no âmbito da teoria girocinética. O uso de ferramentas computacionais auxiliará na análise do impacto das microinstabilidades no fluxo de partículas e calor, e auxiliará na validação dessa abordagem, feita com uma análise da literatura / Plasmas confined in several magnetics topologies are an important task in the quest for Fusion Energy. Nowadays, the most studied forms of Controlled Thermonuclear Fusion focus on Inertial Confinement, Stellarators and Tokamaks. In the present work, we are going to study the different transport mechanisms present in toroidally confined plasmas. We are going to review the theory from the basic concepts of plasma transport, until the peculiarities present in toroidally confi- ned plasmas, known as tokamak. In the border of the realistic transport model, the issue of the anomalous transport will be treated with the turbulent transport theory, in the framework of the gyrokinetic theory. The use of computational tools will help us to assist the analysis of microinstabilities impact on flux levels, and to give support in the validation of this approach, done with a thorough analysis the literatures.

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 são abordados alguns aspectos do tokamak TCABR, particularmente no que diz respeito à ruptura do plasma, às descargas e ao sistema vertical. Desenvolveu-se um modelo zero-dimensional para modelagem das descargas, envolvendo 5 equações diferenciais. Com esse modelo obteve-se os perfis temporais de parâmetros importantes da descarga tais como: corrente de plasma, tensão de enlace, temperatura eletrônica, densidade eletrônica e densidade de partículas neutras. Verificou-se, com as simulações, a influência de parâmetros importantes no comportamento das descargas. A partir de resultados experimentais do TCA e do TCABR verificou-se a compatibilidade desses resultados com o modelo. Fez-se um estudo da ruptura do plasma no TCABR utilizando-se um modelo físico para os processos que envolvem a ruptura com o qual pode-se delimitar a região de ruptura que depois pode ser comparada com os resultados experimentais. Experimentalmente verificou-se que, para o TCABR, a ruptura ocorre para pressões entre 9.10-6 a 3.10-4 mbar e campos elétricos entre 2 e 10 V/m. A relação campo-pressão, E/p, na região de ruptura, está entre 3.107 e 5.108 V.m-1.bar-1. Foi também feito um estudo do sistema de controle realimentado do campo vertical onde determinou-se algumas funções de transferências importantes, particularmente para os blocos não lineares desse sistema. A partir de um programa computacional foi feito um mapeamento do campo vertical e do índice de curvatura do campo. Verificou-se que a razão entre a componente vertical do campo, no centro do vaso, e o valor correspondente de corrente que passa pelas espiras é de 3,5.10-5 T/A e o índice de curvatura do campo está em torno de 0,45. / In this work, some aspects of the TCABR tokamak are studied. In particular, some points concerned to the plasma breakdown, to discharge characteristics in tokamak mode and to the vertical field system are investigated. A zero-dimensional model has been developed, especially for this work, based on five differential equations involving the ohmic heating circuit and the conservation laws of energy, electrical charge and neutral particles. The model was used for simulating the TCABR plasma discharges. Therefore, time profiles of important plasma parameters like plasma current, loop voltage, electron temperature, electron density and neutral density, were obtained. Also, as a result of the simulations, was verified how the tokamak machine parameters and plasma parameters influence the behavior of the discharges. Some experimental results from the TCABR and TCA were compared with the results of the simulations. A study of the rupture of the plasma was carried out adopting a physical model that includes many physical processes. This model was used to delimit the breakdown region for TCABR tokamak machine and as a tool to understand the experimental data. Experimentally, it was observed that, for TCABR, the rupture occurs for pressures values between 1.10-5 to 3.10-4 mbar, and electric fields values between 2 and 10 V/m. The ratio electric field-pressure (E/p), in the rupture region, is between 3.107 and 5.108 V.m-1.bar-1. For the control system of the vertical field we obtained some transfer functions mainly for the non-linear blocks of the system that have been used in the experimental tests. A computer program was developed to obtain the map of the magnetic vertical field lines and the index of curvature of the field. Finally it was verified that, in the center of the vessel, the ratio between the magnetic vertical field to the electric current that flows in the vertical coils is, 3.5.10-5 T/A and the index of curvature of the field is ~0.45.

Neste trabalho são abordados alguns aspectos do tokamak TCABR, particularmente no que diz respeito à ruptura do plasma, às descargas e ao sistema vertical. Desenvolveu-se um modelo zero-dimensional para modelagem das descargas, envolvendo 5 equações diferenciais. Com esse modelo obteve-se os perfis temporais de parâmetros importantes da descarga tais como: corrente de plasma, tensão de enlace, temperatura eletrônica, densidade eletrônica e densidade de partículas neutras. Verificou-se, com as simulações, a influência de parâmetros importantes no comportamento das descargas. A partir de resultados experimentais do TCA e do TCABR verificou-se a compatibilidade desses resultados com o modelo. Fez-se um estudo da ruptura do plasma no TCABR utilizando-se um modelo físico para os processos que envolvem a ruptura com o qual pode-se delimitar a região de ruptura que depois pode ser comparada com os resultados experimentais. Experimentalmente verificou-se que, para o TCABR, a ruptura ocorre para pressões entre 9.10-6 a 3.10-4 mbar e campos elétricos entre 2 e 10 V/m. A relação campo-pressão, E/p, na região de ruptura, está entre 3.107 e 5.108 V.m-1.bar-1. Foi também feito um estudo do sistema de controle realimentado do campo vertical onde determinou-se algumas funções de transferências importantes, particularmente para os blocos não lineares desse sistema. A partir de um programa computacional foi feito um mapeamento do campo vertical e do índice de curvatura do campo. Verificou-se que a razão entre a componente vertical do campo, no centro do vaso, e o valor correspondente de corrente que passa pelas espiras é de 3,5.10-5 T/A e o índice de curvatura do campo está em torno de 0,45. / In this work, some aspects of the TCABR tokamak are studied. In particular, some points concerned to the plasma breakdown, to discharge characteristics in tokamak mode and to the vertical field system are investigated. A zero-dimensional model has been developed, especially for this work, based on five differential equations involving the ohmic heating circuit and the conservation laws of energy, electrical charge and neutral particles. The model was used for simulating the TCABR plasma discharges. Therefore, time profiles of important plasma parameters like plasma current, loop voltage, electron temperature, electron density and neutral density, were obtained. Also, as a result of the simulations, was verified how the tokamak machine parameters and plasma parameters influence the behavior of the discharges. Some experimental results from the TCABR and TCA were compared with the results of the simulations. A study of the rupture of the plasma was carried out adopting a physical model that includes many physical processes. This model was used to delimit the breakdown region for TCABR tokamak machine and as a tool to understand the experimental data. Experimentally, it was observed that, for TCABR, the rupture occurs for pressures values between 1.10-5 to 3.10-4 mbar, and electric fields values between 2 and 10 V/m. The ratio electric field-pressure (E/p), in the rupture region, is between 3.107 and 5.108 V.m-1.bar-1. For the control system of the vertical field we obtained some transfer functions mainly for the non-linear blocks of the system that have been used in the experimental tests. A computer program was developed to obtain the map of the magnetic vertical field lines and the index of curvature of the field. Finally it was verified that, in the center of the vessel, the ratio between the magnetic vertical field to the electric current that flows in the vertical coils is, 3.5.10-5 T/A and the index of curvature of the field is ~0.45.