POSTER_ISTTOK_Exposicao

20 ANOS DE ACTIVIDADE DO TOKAMAK ISTTOK
H.Fernandes, C.Silva, C. A. F. Varandas
Associação Euratom/IST, Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear
Laboratório Associado, Instituto Superior Técnico, P-1049-001 Lisboa
([email protected])
TOKAMAK ISTTOK
Objectivos principais:
i)Dotar o IST de uma montagem experimental de plasmas de fusão por
confinamento magnético;
ii) Criar um pólo de atracção de estudantes na maior Escola Portuguesa de
Engenharia;
iii) Educar e treinar físicos, engenheiros e técnicos na física, engenharia e
tecnologias associadas à Fusão Nuclear;
iv) Desenvolver novas técnicas de diagnóstico, controlo e aquisição de dados;
v) Desenvolver estudos de Física de Plasmas.
Nota histórica
O ISTTOK foi construído a partir da estrutura básica do Tokamak TORTUR (estrutura de
suporte, câmara de vácuo, carapaça de cobre, transformador, bobinas do campo magnético
toroidal e bancos de condensadores, entretanto desmontado no FOM-Rijnhuizen, em
Niewegein (Holanda) por uma equipa de engenheiros e técnicos do Grupo de Fusão Nuclear
(embrião do ex-CFN) em 1988. As restantes componentes do ISTTOK (sistemas de vácuo e
injecção de gás, fontes de alimentação, diagnósticos e sistema de controlo e aquisição de
dados) foram projectados e construídos por pessoal da actual Associação Euratom/IST.
Para além dos diagnósticos básicos de um tokamak de pequena dimensão com baixa
densidade e reduzida temperatura electrónica, foram desenvolvidos ao longo dos anos vários
diagnósticos baseados em novas técnicas ou que apresentavam inovações tecnológicas
significativas em relação a técnicas tradicionais.
Principais resultados
Dados Técnicos
Parâmetro
Raio maior (R)
Valor
0.46 m
Raio menor (a)
85 mm
0.8 Tesla
Campo magnético máximo
Fluxo disponível (transformador primário)
Corrente Plasma
0.25 Vs
< 8 kA
Duração descarga (DC/AC)
~ 45/250 ms
Densidade plasma @ r=0
~5x1018 m-3
Temperatura eletrónica @ r=0
~120 eV
Temperatura iónica @ r=0 (CIII )
~100 eV
Tempo de confinamento da energia
~0.8 ms
Beta @ r=0)
Fator de segurança
q(0)
q(a)
~0.6%
~1
~5
Primeira demonstração de que a tensão de Reynolds induzida pelas flutuações pode gerar
rotação poloidal num tokamak. O gradiente radial da tensão de Reynolds foi determinado
usando o campo eléctrico radial e poloidal medido por sondas eléctricas, concluindo-se que
a sua magnitude é igual ou mesmo superior às restantes fontes possíveis de rotação do
plasma;
Obtenção de descargas alternadas de longa duração (~250 ms) com base no
desenvolvimento de amplificadores de potência baseados em fontes de comutação rápida
por controlo digital e de sistemas de controlo em tempo real; Estas descargas foram muito
difíceis de obter inicialmente devido à inexistência de controlo activo no ISTTOK e
actualmente são apenas limitadas pela reciclagem das impurezas e do hidrogénio das
paredes e pelo limite físico da duração do campo magnético. O ISTTOK veio a ser o primeiro
tokamak a operar com descargas alternadas multi-ciclo planas. (Figura 1)
Controlo do perfil do campo eléctrico e do confinamento de partículas usando um
eléctrodo emissivo. O eléctrodo emissivo desenvolvido no ISTTOK mostrou ser uma
ferramenta valiosa para o controlo do campo eléctrico radial em ambas as polaridades,
permitindo a investigação detalhada do papel do cisalhamento na rotação E×B no controlo
das flutuações na periferia do plasma e no transporte global do plasma (Figura 2).
Observação de flutuações de potencial de grande escala e baixa frequência (fluxos zonais)
e demonstração da sua importância do controlo do transporte local de partículas. A relação
entre as flutuações de grande escala e o transporte turbulento local foi investigada no
plasma periférico do ISTTOK. Foi descoberto que as flutuações de potencial são dominadas
por oscilações de baixa frequência, apresentando uma correlação toroidal significativa que
pode ser atribuída aos fluxos zonais (Figura 3). A amplitude das correlações a grande
distância é altamente intermitente apresentando uma grande semelhança com o transporte
local induzido pelas flutuações electrostáticas. Estas experiências demonstram a
importância dos processos físicos a várias escalas na regulação do transporte em plasma de
fusão.
Diagnósticos
O ISTTOK está equipado com uma série de diagnósticos padrão em tokamaks,
nomeadamente sondas eléctricas e magnéticas (sondas Langmuir/bobines Mirnov), tensão
de enlace, bobina diamagnética, espectrómetros no visível e de massa,bobines rogowsky e
sin-cos. Para além destes foram desenvolvidos (alguns já desactivados ou transferidos para
outras máquinas) os seguintes diagnósticos científicos:
Diagnóstico de deflexão de iões pesados usando uma matriz de células colectoras como
detector;
Sistema de medida da pressão cinética do plasma baseado num balanço equipado com
uma sonda de Mach e num sensor de força mecânico;
Diferentes sistemas de sondas eléctricas que permitem determinarem uma grande
variedade de parâmetros do plasma periférico;
Analisador da energia dos iões na periferia do plasma;
Analisador iónico por tempo de vôo baseado na aplicação de pulsos rápidos da tensão de
aceleração;
Câmaras lineares (3) para reconstrução tomografica da emissividade radiativa do plasma;
 Espectrómetro de alta dispersão (465nm, 0.0015 nm);
Medidor de temperatura electrónica de difusão de Thomson;
Reflectrómetro de varrimento e frequência fixa;
Interferómetro de micro-ondas com detecção diferencial da quadratura e da fase;
Sondas magnéticas instaladas dentro da câmara de vácuo.
Agradecimentos: Este trabalho é contínuamente suportado pela Comunidade Europeia (através do contrato associação entre a EURATOM e o
Instituto Superior Técnico). É recebido ainda financiamento dos programas da Fundação da Ciência e Tecnologia através do contrato de
Laboratório Associado. As opiniões expressas pelos autores não representam necessáriamente as posições da Comissão Europeia nem da FCT.
Da esquerda para a direita: (i) Obtenção das primeiras descargas AC de longa duração, (ii) dependência da modificação no confinamento
de partículas induzido pela polarização do eléctrodo ([n/Hα]Bias/[n/Hα]No Bias) no cisalhamento na rotação E×B e (iii) evolução temporal
de: (a) potencial medido simultaneamente em duas posições toroidais; (b) espectrograma do potencial; e (c) correlação toroidal entre
sinais de potencial.
Sinopse
Actualmente o ISTTOK tem uma grande cooperação com laboratórios estrangeiros de fusão
nuclear principalmente com os seus homólogos europeus e com países de outros
continentes através da IAEA, como por exemplo o Brasil. Em particular, durante o ano de
2008 albergou o “IAEA Joint Experiment” envolvendo 29 cientistas de 14 países.
Grande parte dos diagnósticos desenvolvidos no ISTTOK têm sido migrados para outros
tokamaks de maior porte, sendo exemplo disso o diagnóstico de iões pesados e o
reflectrómetro bem como a introdução de novos conceitos de aquisições de dados, em
particular de tempo real.
www.ipfn.ist.utl.pt/isttok