Characterization of the turbulent transport in the edge plasma of the tokamak ISTTOK

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Mendes, Sara Vaz
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/39943
Resumo: Tese de mestrado integrado Engenharia Física Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências 2019
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spelling Characterization of the turbulent transport in the edge plasma of the tokamak ISTTOKFusão TermonuclearTokamakEstruturas de turbulênciaFilamentosTransporte intermitente de partículasTeses de mestrado - 2019Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências FísicasTese de mestrado integrado Engenharia Física Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências 2019Um enorme esforço por parte da comunidade de fusão nuclear tem vindo a reunir nas últimas décadas vários estudos sobre as principais dificuldades em construir futuros reatores baseados na fusão nuclear. Na actualidade, várias experiências espalhadas pelo globo têm como finalidade provar a eficiência de diferentes configurações para futuros reatores alimentados por reações de fusão nuclear. Uma das configurações mais promissoras para o sucesso da tecnologia de fusão nuclear na Terra é o Tokamak. Um dos principais obstáculos desta experiência deve-se a mecanismos de turbulência na periferia do plasma. De modo geral a eficiência das atuais experiências de fusão é fortemente influenciada por estes mecanismos de turbulência. A turbulência aumenta consideravelmente o transporte de partículas e energia no plasma periférico, sendo a fonte dominante de perdas em experiências de fusão nuclear. A turbulência verificada na região periférica resulta em filamentos de plasma (regiões de densidade superior). Estes filamentos nascem e propagam-se no plasma periférico. Um resultado fundamental da propagação de filamentos de plasma são as flutuações induzidas em parâmetros do plasma, tal como a densidade e o potencial. Neste trabalho pretendeu-se compreender a física dos filamentos de plasma resultantes da turbulência, através de uma investigação das flutuações induzidas nos parâmetros do plasma e, finalmente, o transporte de partículas e energia resultante na periferia do ISTTOK (IST Tokamak). Executou-se uma análise detalhada da física da turbulência a várias escalas, desde a sua origem até ao impacto no confinamento do plasma. O ISTTOK é uma experiência ideal para realizar estudos relacionados com o plasma periférico, uma vez que é compacto, flexível e permite a instalação rápida de diagnósticos . Um extenso programa de Fusão Nuclear tem vindo a ser implementado no IST (Instituto Superior Técnico) com diversos diagnósticos instalados, entre os quais as sondas de Langmuir. As sondas de Langmuir consistem basicamente em elétrodos cilíndricos que podem ser inseridos no plasma periférico (até alguns centímetros dentro da última superfície de fluxo fechada). As sondas de Langmuir utilizadas no diagnóstico do plasma do ISTTOK têm uma elevada resolução espacial (de alguns milímetros) e temporal (na ordem de microsegundos). Adicionalmente, no ISTTOK diversos estudos foram implementados ao longo dos anos com sistemas de múltiplas sondas de Langmuir. Durante este trabalho foi usado um sistema de várias sondas separadas poloidalmente, permitindo determinar a estrutura poloidal das flutuações. Este diagnóstico mostrou-se ideal na determinação do transporte de partículas induzido pelas estruturas de turbulência em propagação no plasma. As sondas de Langmuir permitem traçar uma curva característica I-V (onde V é a diferença de potencial aplicada à sonda e I a corrente recolhida por esta). Em determinadas condições, aplicando uma alta diferença de potencial negativa, a corrente recolhida corresponde a uma corrente de saturação iónica I+sat. Por outro lado, pode não ser aplicada qualquer diferença de potencial à sonda de modo a medir o potencial flutuante Vf . As flutuações de I+sat permitem estimar as flutuações da densidade de plasma, enquanto as flutuações de Vf permitem estimar as flutuações do potencial de plasma. Através da aplicação de diferentes técnicas de análise, desde análise estatística até técnicas de correlação e análise espectral, as flutuações foram caracterizadas, contribuindo assim para uma melhor compreensão da física associada aos filamentos do plasma e o seu impacto no transporte radial. O ISTTOK pode operar com ciclos de corrente alternada, para os quais a direção da corrente de plasma é invertida periodicamente, permitindo obter descargas mais longas. Com a inversão entre ciclos positivos e negativos (direção da corrente de plasma) surgem também alterações na posição do plasma. Durante este trabalho a caraterização das flutuações e do transporte induzido no ISTTOK teve especial atenção a este facto. Foi analisada a importância das estruturas de turbulência ao longo de seis ciclos consecutivos de corrente alternada no ISTTOK. As diversas propriedades estatísticas das flutuações aqui investigadas permitiram concluir que o plasma periférico e a SOL do ISTTOK são dominados por flutuações. Os níveis de flutuações elevados, na ordem de 25% numa região dentro do limitador para 150% na SOL do ISTTOK, foi o primeiro resultado apresentado a comprovar que a região é dominada por flutuações, que são provavelmente induzidas pela turbulência. De seguida, os elevados valores de skewness e kurtosis da densidade e do potencial de plasma foram apresentados, de modo a indicar mais uma vez a importância das flutuações no plasma periférico do ISTTOK. Estas quantidades estatísticas permitiram mostrar o aumento da importância relativa das flutuações induzidas com o aumento do raio. No capítulo 2 foram mencionados estudos anteriores sobre a importância das flutuações no plasma periférico. De um dos exemplos foi realçada a “universalidade" da Função Densidade de Probabilidade (FDP) para as flutuações do plasma periférico. Este resultado foi também concluído para as flutuações no plasma do ISTTOK, no capítulo 4. Adicionalmente, o espectro de frequências das flutuações foi investigado. A análise espectral dos sinais de Vf e de I+sat obtidos no ISTTOK revelaram que a potência espectral é dominada por frequências na gama 10-100kHz, e que a amplitude diminui com a frequência de acordo com 1=fC, onde C é uma constante que varia nas diferentes regiões do espectro. De modo geral o espectrograma das flutuações do plasma periférico é largo em frequência. Os espectros de frequência tornam-se mais largos como aumento do raio, indicando o aumento da importância relativa das altas frequências sobre as baixas frequências. Os espectrogramas obtidos assemelham-se ao espectro de pink noise que é bastante usual em sinais intermitentes, como o que se dá para os parâmetros do plasma devido à propagação das estruturas de turbulência. O sistema de sondas utilizado permite determinar Vf e I+sat para diferentes posições poloidais no ISTTOK. No total temos sete sondas espaçadas entre si por 2mm. Os sinais obtidos para as diferentes posições foram comparados através da função correlação cruzada, de modo a determinar a velocidade de propagação, e as estruturas espacial e temporal das flutuações na direcção poloidal. A correlação entre as medições nas diferentes posições poloidais é dependente da dimensão poloidal das estruturas intermitentes, assim como do tempo característico e velocidade de propagação destas através do plasma. Os resultados para a correlação cruzada entre dois sinais de Vf ou de I+sat indicam a similaridade entre os sinais em função do desfasamento temporal entre os dois. As diferentes técnicas de análise aplicadas durante este trabalho revelaram que as estruturas de turbulência na periferia do tokamak ISTTOK têm uma estrutura temporal na ordem de ≈ 2 - 10 µs, em propagação na direção poloidal com vσ = 5 - 10 km/s e dimensão poloidal na ordem de ≈ 2 - 6 cm. O fluxo médio de partículas que é induzido pelas flutuações pode ser estimado através das medições simultâneas das flutuações de densidade e de potencial. Tivemos durante este trabalho a oportunidade de enfatizar a grande influência deste fluxo induzido nas perdas totais no plasma periférico de um tokamak. O fluxo de partículas induzido pelas flutuações na periferia do ISTTOK encontra-se na ordem de 1021 m-2 s-1, e apresenta a mesma ordem de grandeza das perdas totais de partículas no ISTTOK estimadas a partir do confinamento de partículas medido.Silva, Carlos Alberto Nogueira Garcia daConde, Olinda Maria Quelhas Fernandes,1951-Repositório da Universidade de LisboaMendes, Sara Vaz2019-10-23T18:11:05Z201920192019-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/39943TID:202293190enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:38:58Zoai:repositorio.ul.pt:10451/39943Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:53:42.888010Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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