Gustavo Paganini Canal.

O projeto propõe implantar o primeiro sistema laser de intensidade relativística (superior a 10^19 W/cm) no país, visando sua utilização para a produção de plasmas de altas densidades e temperaturas, apropriadas para estudos de micro-fusão nuclear e da matéria com altíssima densidade de energia. O sistema laser também será utilizado como acelerador compacto de partículas: objetivamos produzir feixes de elétrons com centenas de MeV, em poucos centímetros, e de prótons com dezenas de MeV, gerando também raios X, raios gama e nêutrons por processos secundários. Adicionalmente, aceleradores compactos de partículas, induzem reações nucleares para a produção de radioisótopos de interesse para a medicina nuclear, especialidade do IPEN, que atende milhões de pacientes por ano. O País precisa de um centro temático de uso multiusuário desta natureza para propiciar o desenvolvimento dessa área. Já existem em operação mais de uma centena de sistemas laser de intensidade relativística no hemisfério norte, e nenhum no hemisfério sul, excluindo o país de uma próspera vertente de ciência e tecnologia e de formação de recursos humanos altamente capacitados. Pretendemos prover o país de uma infraestrutura inicial, multiusuário, para pesquisas experimentais nesses regimes extremos, particularmente em fusão por laser, na qual foi obtida recentemente a ignição da fusão nuclear. Objetivamos dispor desta estrutura como um centro temático para a comunidade científica, visando criar massa crítica e inserção internacional, com colaborações científicas comuns nestas estruturas de pesquisa, enquadrando o Brasil nesta vertente que originou 2 recentes prêmios Nobel em física, e a ignição da fusão nuclear. Este centro temático de lasers de ultra-alta intensidade propiciará as condições para capacitação e treinamento de recursos humanos de alto nível científico e tecnológico, para futuramente o país ter um laser de maior porte (junto ao Reator Multipropósito Brasileiro - RMB) e experimentos em grandes estruturas científicas, como ocorre nas redes americana LaserNetUS e europeia ELI. Valor aprovado: R$ 14.932.081,74.

O modo de alto confinamento é visto como o regime operacional mais promissor para se obter usinas de fusão economicamente viáveis baseadas no conceito de tokamak. Uma característica particular desses plasmas de alto confinamento é a presença de instabilidades repetitivas, conhecidas como edge localized modes (ELMs), que causam altíssimos fluxos de calor nas placas do desviador. A erosão causada por esse alto fluxo de calor pode reduzir significativamente o tempo de vida do divertor, gerando assim a necessidade de instalar bobinas de controle de ELMs em máquinas de grande porte. Tem sido amplamente demonstrado que a presença de perturbações magnéticas ressonantes (resonant magnetic perturbations - RMPs) não-axissimétricas, criadas por correntes fluindo em bobinas fora do plasma, podem ser usadas para suprimir ELMs e, por esta razão, bobinas de controle de ELMs foram adicionadas ao projeto base do ITER. No entanto, embora tais bobinas têm sido usadas com sucesso para suprimir ELMs em vários tokamaks, a modelagem numérica dessas descargas revela que os modelos físicos existentes ainda não são capazes de reproduzir a maioria das observações. A falta de um modelo físico confiável que descreva o impacto de campos RMP em plasmas de tokamak é uma questão fundamental quando se tenta prever a resposta de plasmas criados no ITER a campos RMP. Para melhorar a confiabilidade dos resultados destes códigos, experimentos cuidadosamente projetados para validar modelos físicos estão sendo realizados em vários tokamaks. Esta proposta de pesquisa visa projetar, construir e testar um conjunto único e inovador de bobinas RMP para TCABR que permita a validação experimental detalhada de modelos físicos RMP em uma ampla gama de cenários de plasma, geometrias de bobinas RMP e espectros de campo magnético perturbado. Este novo conjunto de bobinas RMP tem a capacidade de aplicar campos RMP estáticos ou rotativos (até 10 kHz) com harmônicos toroidais dominantes tão altos quanto n = 9, tanto do lado do campo baixo quanto do lado do campo alto - algo que nunca foi realizado em nenhum tokamak existente. No entanto, para mitigar os riscos de danificar a câmara de vácuo do TCABR, foi decidido que é mais seguro, primeiramente, desenvolver todo o know-how nacional em uma réplica de 72 graus da câmara de vácuo original do TCABR que está disponível no Laboratório de Física de Plasmas do Instituto de Física da Universidade de São Paulo. Essa réplica servirá, portanto, como uma bancada de trabalho na qual todas as diferentes soluções tecnológicas poderão ser testadas com segurança sem arriscar a câmara de vácuo original do TCABR. Portanto, o objetivo deste projeto é desenvolver e testar as tecnologias críticas para que a implementação completa da atualização do TCABR possa ser planejada em bases sólidas. Valor aprovado: R$ 1.585.521,75.

Neste projeto, propõe-se analisar o transporte caótico de partículas e turbulência do plasma causada por ondas de deriva na borda de tokamaks. Tais estudos podem contribuir com a compreensão e eventualmente com o controle de fenômenos não lineares complexos presentes em plasmas de fusão, em especial, em tokamaks de grande porte, tais como o ITER. A camada caótica é gerada pelo potencial eletrostático flutuante, que causa o transporte anômalo de partículas observado na borda de tokamaks, podendo degradar o confinamento do plasma de acordo com o módulo de sua amplitude, e pela não uniformidade do cisalhamento do campo elétrico. Propomos investigar a influência do perfil do campo elétrico nas barreiras "shearless" investigando as barreiras de transporte em pequenos intervalos de cisalhamento do perfil do campo elétrico, com o propósito de investigar as condições para surgimento e destruição das barreiras. Introduziremos também diferentes perfis de campo elétrico radial de equilíbrio com o intuito de aplicar o modelo em tokamaks operando no modo H. Tais perfis foram ajustados usando dados experimentais do ASDEX-Upgrade. Além disso estudaremos as barreiras de transporte sob influência de diferentes perfis de campo magnético, a saber, monotônico e não monotônico. Pretendemos também investigar as bifurcações de ilhas magnéticas geradas por perturbações magnéticas ressonantes seguindo metodologia descrita em nossos trabalhos anteriores. É conhecido que em tokamaks operando no modo H surgem instabilidades periódicas conhecidas como edge localized modes (ELM), as quais são responsáveis pela abrupta elevação de temperatura próximo as placas do desviador provocando a redução do tempo de vida do desviador em um futuro reator. Tem sido amplamente demonstrado que perturbações magnéticas ressonantes não-axissimétricas podem ser usadas para suprimir os ELM. Tais bobinas foram adicionadas ao projeto base do ITER. Também se propõe utilizar o código M3D-C1 para investigar o transporte em tokamaks com desviador poloidal, analisando os chamados "footprints", os quais estão relacionados com o fluxo de calor nas paredes dos tokamaks. Valor aprovado: R$ 126.012,50.

Neste projeto são propostos duas atividades essenciais para o projeto de modernização do tokamak TCABR: (i) otimização do processo de iniciação da descarga e (ii) diagnóstico óptico do plasma. Essas atividades serão executadas na atual configuração do TCABR, ou seja, antes da conclusão de sua modernização. Valor aprovado: R$ 82.600,00.

Nos últimos 20 anos, a pesquisa de biossensores tem crescido substancialmente em virtude da busca por métodos mais rápidos e portáteis para realização de diagnósticos. Neste contexto, os biossensores ópticos, em especial aqueles que utilizam tecnologia SPR (Ressonância Plasmônica de Superfície) tem ganhado destaque devido a sua alta sensibilidade e velocidade de detecção, de forma que a sua miniaturização e produção em série atenderia facilmente às demandas dos serviços de saúde pública que requerem testes cada vez mais rápidos. A identificação de céulas-tronco por meio destes dispositivos traria consigo benefícios tais como redução no tempo e maior sensibilidade em relação à técnicas convencionais. Vários estudos tem demonstrado bons resultados quanto à capacidade de sensores ópticos baseados em SPR em identificar células-tronco, logo a identificação de células-tronco cancerígenas presentes em diversos tipos de cânceres entres eles o próstata iria permitir o diagnóstico precoce da doença, o que aumentaria as chances de curo do paciente. Com base neste cenário, esse projeto tem como objetivo desenvolver um biossensor óptico baseado na tecnologia SPR para detecção de células-tronco entre outras células. Valor aprovado: R$ 42.145,57.

O desenvolvimento da fusão termonuclear controlada nas últimas décadas levou ao desenvolvimento de reatores experimentais denominados tokamaks. Tais reatores são planejados para serem capazes de explorar vários modos de operação avançados, caracterizados por alta pressão plasmática, longos períodos de confinamento e baixos níveis de corrente de plasma acionada por indução. Estes modos avançados dependem fortemente de estratégias de controle ativo para manter plasmas de alto desempenho com densidade, temperatura e tempo de confinamento suficientemente grandes. A presente proposta de projeto de pesquisa visa aplicar as teorias de controle moderno na síntese e projeto de controladores capazes de serem utilizados nos conversores de eletrônica de potência, responsáveis pelo controle, em tempo real, do cenário de plasmas em reatores de fusão nuclear do tipo tokamak. Toda a pesquisa será baseada na modelagem física do tokamak TCABR, localizado no Laboratório de Plasmas do Instituto de Física da Universidade de São Paulo. Para consolidar os objetivos deste projeto, considerar-se-á como metodologia realizar uma revisão bibliográfica acerca das técnicas e estratégias de controle mais utilizadas; criar nas instalações do NSEE um laboratório de Eletrônica de Potência que permita: (i) desenvolver, projetar, simular, construir e ensaiar módulos eletrônicos de controle ativo; (ii) estudar e implementar controladores digitais ativos e; (iii) desenvolver e prototipar equipamentos eletrônicos para validação. Além dos resultados proporcionados pela metodologia do desenvolvimento, esperam-se publicações em periódicos de grande relevância científica, organização de eventos científicos para fomento das atividades, assim como a formação de recursos humanos na área de tecnologia de reatores de fusão nuclear. Valor aprovado: R$ 175.000,00

The potential of nuclear fusion to provide a practically inexhaustible source of clean and renewable energy has motivated scientists to work toward developing nuclear fusion power plants. In this work, an outstanding issue encountered on the road toward the development of nuclear fusion will be addressed, namely the seeding of neoclassical tearing modes (NTMs) by sawteeth (ST) in tokamak plasmas. Although ST and NTMs have been intensively investigated over the last decades, a validated quantitative theory of the triggering of NTMs by ST remains to be developed. Many tokamaks observed that ST of sufficient duration may trigger NTMs that can lead to plasma performance degradation and/or disruptions, depending on the plasma conditions. From constraints imposed on the plasma performance, the onset of NTMs poses a threat to the main goal of ITER, which is a prototype intended to demonstrate sustained burning plasma operation with a fusion power gain factor Q = 10. This work seeks to investigate the mechanisms of NTM seeding by ST using the TCABR tokamak, located at the Laboratório de Física de Plasmas - LFP, Instituto de Física, Universidade de São Paulo. Experiments will be carried out in order to investigate the non-linear dynamics involved in the NTM seeding by the modes generated during the ST crash. This work can substantially benefit from the expertise developed by the LFP group in measuring magnetic fluctuations. To provide a better understanding of the dynamics behind mode coupling, the experimental measurements will be interpreted by numerical modeling using M3D-C1, which is a state-of-the-art code for plasma modeling that has recently been developed at the Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton, USA. Understanding the different possible mechanisms behind NTM seeding is of utmost importance for the development of controlled thermonuclear fusion as an economically viable energy source. The knowledge acquired during this work could lead to the development of a model in which the relative contribution from distinct seeding mechanisms and their scalings are known. This model could then be used predictively to indicate zones of safer operation at higher plasma pressures in existing tokamaks worldwide and in the design of future devices.

This project proposes a collaborative research on the National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) in the areas of Plasma Boundary Interfaces and Macroscopic Stability. In this proposal, research in the area of Plasma Boundary Interfaces is divided between (1) H-mode edge pedestal studies and (2) calculations of high-resolution 3D divertor footprints, while research in Macroscopic Stability is focused on (3) vacuum and plasma response modeling of the NSTX-U Non-axisymmetric Control Coils (NCC).

A deposição por plasmas produzidos por ablação induzida por lasers pulsados - Pulsed Laser Deposition (PLD) - ocorre quando a radiação de um laser incidente sobre uma superfície é intensa o suficiente para retirar uma quantidade substancial de material de um alvo, por ablação, e formar um plasma denso, que se expande até um substrato, onde o material é depositado. A técnica PLD tem se tornado, nos últimos anos, uma das mais utilizadas para deposição de filmes finos devido a sua robustez e flexibilidade. De fato, há uma ampla gama de parâmetros que podem ser variados durante a deposição (i.e. intensidade, focalização e comprimento de onda do laser), permitindo a formação de filmes com características bastante variadas. Por isso tem sido empregada em vários processos para obtenção de materiais avançados, como nano-fios e dielétricos de alta constante dielétrica. Em particular, o interesse na produção de filmes finos é muito vasto e alguns casos têm recebido uma atenção especial, devido a suas aplicações industriais e biomédicas.

O projeto visa estudar a utilização de diversas fontes de plasmas na pirólise e processamento do gás natural para otimizar a produção de hidrogênio e a produção de combustíveis líquidos via Fischer Tropsh. Nos processos de pirólise e processamento serão usadas diversas fontes de plasmas. Serão usadas tochas de plasma de arco não-transferido com catodo de tungstênio e dois tipos de gases de trabalho; argônio e hidrogênio. O gás natural poderá ser injetado dentro ou fora da região do arco elétrico, dependendo do que se deseja obter, hidrogênio ou fase líquida. Para processos utilizando apenas o gás natural serão testadas dois tipos de fontes de plasmas: plasma com eletrodos de grafite e plasma de arco caminhante (Glinding Arc).

O projeto visa estudar a utilização de diversas fontes de plasmas na conversão de óleos pesados e extra-pesados em derivados mais leves a fim de diminuir sua viscosidade logo após sua extração, com a finalidade de facilitar seu transporte via dutos. O processo também poderá trazer benefícios para os processos de destilação de petróleos pesado e extra-pesado. No processo de craqueamento serão usados diferentes tipos de plasmas. Inicialmente será usada uma tocha de plasma de catodo quente e arco não-transferido, usando gases como: nitrogênio, argônio, gás natural, hidrogênio e a partir daí diferentes configurações de tochas a fim de determinar o modelo que consegue fornecer o melhor resultado.