TOKAMAK NOVA-FURG: CARACTERIZAÇÃO DO SISTEMA E DETERMINAÇÃO DA EVOLUÇÃO TEMPORAL DA COLUNA. TOKAMAK NOVA-FURG: CARACTERIZAÇÃO DO SISTEMA E DETERMINAÇÃO DA EVOLUÇÃO TEMPORAL DA COLUNA DA PRAÇA. Além de obter a evolução temporal da posição da coluna de plasma em uma seção transversal do toro da câmara NOVA.
Para isso, é necessário implementar um método para verificar a posição e os deslocamentos da coluna de plasma.
OBJETIVOS GERAIS
OBJETIVOS ESPEC´IFICOS
Portanto, para determinar o tamanho adequado dos campos, é necessário conhecer a posição da coluna de plasma e seus deslocamentos. Quando a corrente de plasma começa a aparecer, são acionadas as bobinas de campo vertical, responsáveis pelo equilíbrio da coluna de plasma.
TOKAMAK NOVA-FURG
SISTEMA DE V´ ACUO
O sistema de vácuo do NOVA tokamak consiste em duas bombas de vácuo conectadas em série. A primeira, denominada bomba rotativa, inicia o processo de vácuo e pode atingir uma pressão de cerca de 10−3 Torr (VACAERO, 2019), bombeando 3,5 litros por minuto. É formado por um rotor descentralizado do eixo da câmara, no qual existem pás próximas à parede da câmara (cerca de 0,025 mm) que orientam o movimento do rotor para ficar sempre próximo à parede.
Por fim, esse espaço entre as pás e a parede é preenchido com o óleo lubrificante da bomba para aumentar a contenção do gás. Inserção: A primeira rotação de 180o do rotor introduz o gás na câmara da bomba, que ocupa todo o volume, reduzindo assim a pressão. As partículas na câmara a ser bombeada movem-se aleatoriamente e finalmente atingem as pás.
Devido à colisão das partículas com as palhetas, elas são aceleradas em direção à saída da bomba turbomolecular. Além disso, o processo de esvaziamento e limpeza da câmara também conta com os chamados choques de limpeza (MANUAL. Dessa forma, o plasma irá colidir com as paredes da câmara ao se expandir, removendo as impurezas e aumentando a energia das partículas que ali trafegam e facilitar sua chegada à bomba turbomolecular.
BANCOS DE CAPACITORES E FONTES
Finalmente, para manter o vácuo na câmara NOVA, é necessária uma evacuação contínua. As fontes dos bancos vertical e aquecedor são semelhantes, o banco vertical atualmente possui apenas 4 capacitores eletrolíticos de 6800 µF. Além disso, a fonte de aquecimento possui um terceiro conjunto de capacitores e um terceiro diodo, que é usado para desmagnetizar o núcleo.
A Figura 7 mostra um esquema simplificado de uma bateria de capacitor joule, onde C1 representa capacitores rápidos, capacitores a óleo e C2 capacitores eletrolíticos lentos. Um disjuntor é um metal condutor no vácuo que é acionado por um solenóide. Este switch tem um tempo de resposta de 100ms e é o início das transferências para todos os bancos.
Também possui um resistor de 1 KΩ para descarregar os capacitores através de um solenoide contator.
SISTEMA ELETROMAGN´ ETICO E TOR ´ OIDE
A câmara também é cercada por uma casca de alumínio que tem um raio menor de 7,8 cm e uma espessura média de 10 mm. Sua função é evitar que o plasma toque na parede da câmara de vácuo à medida que se expande. Pois com esse contato o plasma retiraria as impurezas da câmara e isso impediria que ela fosse devidamente aquecida.
São 24 bobinas com 20 voltas cada, com raio maior igual a 32 cm, raio menor igual a 12 cm e alimentadas pelo banco de capacitores principal. O campo vertical é gerado por um par de bobinas com raio de 52 cm e 10 voltas cada, colocadas acima e abaixo da câmara. Existem também algumas bobinas verticais com um raio menor cuja finalidade é anular o acoplamento com as bobinas de aquecimento.
O par de bobinas horizontais são conectados para evitar o acoplamento ao núcleo do transformador, enquanto os verticais para evitar o acoplamento às bobinas de aquecimento. Para alimentar as bobinas de compensação, parte da carga do banco principal pode ser desviada por meio de resistores de desvio localizados na parede lateral do tokamak. Eles são feitos de tiras de nicromo com contatos deslizantes, portanto, ao ajustar a altura dos contatos, a corrente nas bobinas de compensação muda.
PROCEDIMENTO DE DISPARO
O gás é injetado através de uma válvula piezoelétrica com tensão máxima de 100 V. O gás é injetado continuamente para manter uma pressão de trabalho de cerca de 10−4 Torr. A lei de Ampère permite o cálculo do campo magnético a ele associado a partir de uma densidade de corrente elétrica, sendo esta corrente independente do tempo.
Da mesma forma, se o campo magnético for conhecido, um valor de corrente pode ser associado a ele, ambos dependendo apenas da posição radial. Assim, conhecendo tanto a corrente elétrica quanto o campo magnético associado, pode-se resolver a lei de Ampère para a posição radial e determinar a posição da corrente que gerou esse campo. No tokamak NOVA-FURG, a corrente elétrica no plasma (corrente de plasma ou corrente toroidal) é medida por meio de uma sonda Rogowski colocada ao redor da câmara.
Para localizar a posição radial do centro do fluxo de plasma, precisamos conhecer o campo magnético gerado por esse fluxo. Para isso, será utilizado um conjunto de sondas magnéticas discretas colocadas ao redor do plasma. Já Rogowski, incluindo a corrente, obtém o valor total do campo magnético induzido pela corrente de plasma.
SONDA ROGOWSKI
Essas sondas funcionam com o mesmo princípio da sonda Rogowski, com a diferença de que adquirem apenas uma fração do valor total do campo. O tokamak NOVA-FURG é equipado com uma sonda Rogowski, de 65 centímetros de comprimento e densidade de enrolamento de 40 voltas/cm (cerca de 2600 voltas) e área média da seção plana A de 0,1735 cm2.
SONDAS MAGN´ ETICAS DISCRETAS
Mas só esta informação não é suficiente para determinar a posição da coluna de plasma, para isso é necessário colocar pelo menos duas sondas diametralmente opostas para cada direção. Uma representação esquemática da posição das sondas discretas ao redor da câmara é mostrada na Figura 11. De modo que a diferença entre os sinais causa a determinação da posição do fluxo de plasma.
As sondas serão idênticas e montadas em dois pares, um para a direção paralela ao raio do toro e outro para a direção perpendicular a ele. Além disso, eles devem ter um tempo de resposta suficientemente baixo para responder rapidamente ao campo gerado pelo fluxo de plasma. Este tempo de resposta é dado pela relação entre a indutância da ponta de prova e a resistência do fio.
O tempo de resposta das sondas é da ordem de 10−7 s, que é muito menor que o tempo de subida do sinal de corrente de plasma, que é da ordem de 10−6 s. Portanto, para esta geometria das sondas, além de terem um tempo de resposta suficientemente rápido, eles produziram um sinal com intensidade de cerca de 300 mV, que pode ser lido pelo osciloscópio.
APROXIMA¸ C˜ AO DO CRESCIMENTO DA CORRENTE PARA O SISTEMA
MODELO DO FILAMENTO TOROIDAL (QUIN, 1993)
Um fio toroidal transportando uma corrente elétrica igual à corrente do plasma é a aproximação mais simples de um plasma Tokamak. Desta forma, assumimos que este fio terá os mesmos deslocamentos em relação ao centro da câmara de vácuo que a coluna de plasma.
Os cossenos das projeções dos campos magnéticos poloidais induzidos nas sondas pela corrente de plasma são dados por (ver Figura 13): . 13) O sinal na sonda i é calculado pela lei de Faraday. Como a corrente de plasma cresce linearmente, pode-se utilizar Ip(t) =Ct, onde C é a constante que se refere à inclinação da curva de elevação da corrente. Finalmente, para R(~r) usamos a relação conhecida do campo magnético do fio infinitamente condutor.
Onde o valor da inclinação da corrente de plasma C necessária em K pode ser obtido através da sonda Rogowski instalada no tokamak NOVA-FURG. Isso é esperado porque, se o deslocamento for zero, a distância do fluxo de plasma às sondas é a mesma, produzindo sinais de mesma intensidade. Um pedaço de corda com 48,65 cm de comprimento e cerca de 1,5 mm de diâmetro foi usado para construir as sondas.
Sobre ela foram colados quatro suportes de plástico com 5 mm de comprimento e seção transversal aberta, de modo que, ao serem colocados no barbante, haja uma pequena rachadura entre as bordas do suporte. Elas são colocadas no barbante para que sejam colocadas no tokamak conforme mostra a Figura 11. Com a montagem das sondas pronta, é necessário calibrá-las em tempo de resposta e intensidade.
CALIBRA¸ C˜ AO DAS SONDAS
Essas curvas não foram utilizadas para calcular os deslocamentos, pois as equações definidas na seção 5.4 relacionam os deslocamentos da coluna de plasma diretamente aos sinais obtidos das sondas. Conhecendo essas duas informações, é possível deduzir a inclinação do aumento da corrente de plasma. Nesta configuração de descarga, obteve-se uma corrente de plasma com valor máximo de cerca de 3 kA, conforme mostra a Figura 22.
A figura abaixo mostra o comportamento efetivo dos deslocamentos vertical e horizontal da coluna de plasma no período medido. A Figura 29 mostra o deslocamento da coluna de plasma ao longo do tempo, onde os valores de t apresentados referem-se às regiões definidas no eixo temporal. Conforme mencionado na Seção 4, a instabilidade mais fundamental é devida à posição da coluna de plasma na câmara.
A partir da medição da sonda de Rogowski, pode-se perceber o comportamento aproximadamente linear do crescimento da corrente de plasma durante sua formação. Assim, a dependência do tempo da corrente de plasma pode ser escrita como uma função linear e, finalmente, o campo magnético será o produto das partes radial e temporal do campo. Com esses sinais e o algoritmo em mãos, os deslocamentos da coluna de plasma podem ser derivados.
Verificou-se que a coluna de plasma aparece próxima à origem do eixo, logo abaixo do eixo x. Essas propriedades e efeitos influenciam fortemente o movimento da coluna de plasma.
