Análise térmica e estrutural da câmara de vácuo do tokamak TCABR sujeita ao processo de baking.. - Marques, Pedro Leo Oliveira (2024)
O TCABR é um tokamak de pequeno porte, localizado no Instituto de Física da Universidade de São Paulo, no Brasil. Ele está passando por um processo de melhorias, cujo objetivo principal é a instalação de um conjunto de bobinas capazes de suprimir modos de instabilidade produzidos no plasma em regime de alto confinamento. As melhorias também incluem a instalação de ladrilhos de grafite e um sistema de aquecimento, conhecido como sistema de baking, cujo objetivo é aquecer a câmara de vácuo do tokamak para remover impurezas de seu interior e melhorar a qualidade do plasma. Contudo, a câmara do TCABR não foi projetada com o baking em mente, e as tensões de origem térmica produzidas durante o processo podem danificar sua estrutura. Este trabalho analisa se um sistema de baking utilizando aquecimento ôhmico poderia ser instalado na câmara de vácuo do TCABR sem o risco de haver danos estruturais. Um modelo analítico de transferência de calor foi desenvolvido para estimar os fluxos de calor necessários para aquecer a câmara e os ladrilhos de grafite à temperatura de 200 ºC. Também foram desenvolvidos modelos térmicos e estruturais com base no método dos elementos finitos, utilizando o software ANSYS Workbench®. Eles foram resolvidos nos regimes permanente e transiente, com formas distintas de aquecimento da câmara. Utilizou-se um acoplamento unidirecional entre modelos, do térmico ao estrutural, para incluir os efeitos do campo de temperaturas resultante do modelo térmico na análise estrutural. Os efeitos da gravidade e diferença de pressão também foram incluídos. A norma técnica Boiler and Pressure Vessel Code, da ASME, foi utilizada para se avaliar as tensões resultantes dos modelos. Observou-se pelos resultados que a forma como o calor é fornecido à câmara, em função do tempo, e a distribuição geométrica dos elementos aquecedores exercem grande influência nas tensões produzidas. Em todos os casos as tensões atuantes na câmara estiveram abaixo do limite definido pela norma técnica, mas as tensões em outros componentes alcançaram valores acima do limite de escoamento de seu material. Seria necessário um novo