Proseding Perlemuan dun Presenlasi I/miahP3TM-BATAN, Yogyakilrla 25 -26 Juli 2000Buku /90

PROFIL DISTRIBUSILUCUTANTORUS

KERAP A TAN PLASMA DALAM

Widdi Usada, Suryadi, Agus Purwadi, Tri Marji AtmonoPus/i/bang Teknologi Maju -BATAN.

ABSTRAKPROFIL DISTRIBUSI KERAPATAN PLASMA DALA!r1 LUCUTAN TORUS. Tokamak adalah sistempelucu/an plasma tanpa elektrode yang berben/uk torus. kemudian menampung plasma tersebut denganmedan magnet serra memanaskan plasma dengan sistem pemanas tambahan seperti RF. berkas neutral danlain sebagainya. Dengan sistem ini. tokamak diharapkan menjadi salah satu fasi/itas /erdepan dalamkonsep reaktor fusi. Parameter penting dalam tokamak adalah arus plasma. /egangan luCUI plasma. suhudan kerapatan plasma. profil kerapa/an plasma dan waktu pengungkungan. Untuk sis/em yang dimilikiP 3TM ini. adalah sis/em pelucutan torus. lanpa medan magnet pengungkungdan pemanas lambahan. Hasilyang /elah dicapai /erdahulu adalah diperolehnya parameter arus plasma. arus peluculan. leganganplasma. serra medan magnet poloidal. Sedangkan suhu dan kerapa/an ser/a profil kerapatan rela/if belumdiperoleh. Salah salu me/ode un/uk mengelahui suhu dan kerapa/an ser/a profil kerapa/an relalif (dalamhal ini ke arah radial) dalam torus adalah probe Langmuir. Probe Langmuir adalah sislem diagnos/ikplasma yang paling kuno. sederhana dan mudah dibual. Salah salu keunggulan dari probe langmuiradalah kemampuannya mengukur arus selempal. Dalam eksperimen ini. probe langmuir yang dibualadalah kawal berdiameler 0.8 mm dari bahan tungsten. Sistem peluculan torus bekerja pada lekanan gasisian argon I mbar. dan legangan operasi 7..5 kV. Sebagai sumber dayanya adalah kapasilor Maxwell tipe330006 dengan kapasi/as 1.5 ,uFo dan sumber daya pengisi kapasi/or adalah Hipo/ronics model 82.5-100yang mampu memberikan arus 100 mA dan tegangan 20 kV. Hasil percobaan pada penentuan profitkerapa/an plasma relalif ke arah radial pada kondisi operasi diatas adalah profit kerapatan relalif plasmake arah radial mempunyai relasi eksponensial dengan lungs; pendeka/aannya adalah i/rel .x: e-O..5J r. radalah posisi ke arah radial.

ABSTRACTPLASMA DENSITY DISTRIBUTION PROFILE IN TOROIDAL DISCHARGE. Tokamak is anelectrode less toroidal plasma discharge system which contains and heats the plasma by using magnetic fieldand heating system such as RF dan neutral beams respectively. Using this system, tokamak is expected to bea most advanced facility in fusion reactor concept. The important parameters in tokamak are plasmacurrent, plasma discharge voltage, temperature and density, plasma density profile and confinement time.However, the facility belonged to this center (P3TM) is very simple that means a otroidal discharge withoutconfinement magnetic filed and an additional heating. The preceding result showed that it had beenobatained some important parameters such as plasma current, discharge current, plasma voltage andinduced poloidal magnetic filed. While plasma temperature and plasma density and its profilehave not been observed. The one of some diagnostics to bc used to determine this parameter is aLangmuir probe. Langmuir probe is an oldest diagnostic tool, simple and quite easy to be made. The mostadvantage by using this probe is its ability to measure the current locally. In this experiment, the homemade langmuir probe is a tungsten wire with 0.8 mm in diameter enveloped by glass tube and inserted intorus tube. The torus is operated at I mbar argon gas pressure and 7.5 kV operating voltage. The powersource is a 330006 Maxwell type capacitor with 15 microfarad, and charging system is a 825-100Hipotronics model which can hold 20 kV of voltage and deliver 100 mA of current. The experiment resultshowed that the relative radial density profile has an exponential relation with the approaching function is

nrel IX: e-O, 54 r, r is radial position.

terkendali. Oleh karena itu sistem tokamak memuatperalatan bantu seperti sistem pelucut induksi,sistem medan magnet sebagai pengungkung plasma,serta sistem pemanas tambahan seperti RF, berkasneutral dan fasilitas-fasilitas lain yang sebegitubanyak dan rumitnya. Sebagai salah satu pusat risettenaga nuklir di Indonesia, P3TM telah .~engawali

PENDAHULUAN

T okamak adalah piranti berbentuk torus yangmampu menghasilkan plasma dalam sistem

tanpa elektroda, menampung dan memanaskanplasma, serta mempunyai misi sebagai salah satupiranti yang mampu menghasilkan reaksi fusi

Proseding Perlemuan don Presenlasi l/miahP3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Ju/i 2000 Buku J 91

membuat fasilitas pelucutan torus buatan sendiridengan ukuran mini dalam arti tanpa fasilitaspendukung lainnya seperti medan pengungkung danpemanas tambahan serta mengadakan serangkaianeksperimen untuk mengukur parameter parameterdasar plasma seperti arus pelucut, arus plasma,medan magnet induksi, tegangan torus dRn lainsebagainya. Sedangkan dalam penelitian ini akandicoba memahami kejadian dalam tabung torus,khususnya distribusi kerapatan relatif plasma.

Parameter suhu clan kerapatan plasma jugamerupakan parameter dasar. Ada beberapa pirantiuntuk menentukan suhu clan kerapatan plasma,diantaranya adalah probe Langmuir dan laserinterferometri. Meskipun probe Langmuir merupa-kan piranti diagnostik yang paling kuno clansederhana namun piranti tersebut masih digunakandalam eksperimen plasma baik fasilitas plasmadalam skala kecil maupun besar, fasilitas sederhanasampai fasilitas yang sangat canggih. Kesederhana-an probe Langmuir terletak pada kemudahanmembuatnya, murah serta berukuran kecil. ProbeLangmuir adalah kawat tungsten berdiameter kecil <J mm. Probe ini akan mengukur arus yang besamyabergantung kepada besamya tegangan bias terhadappotensial plasma. Karakteristik arus-tegangan probeini akan menentukan besamya suhu clan kerapatanplasma. Gambar I memperlihatkan probe Langmuirpada tabung torus.

Gambar 1. Probe Langmuir pada tabung torus.

BAHAN DAN METODE

SISTEM PERALA TAN UTAMA

Proses lucutan plasma dalam torus ataupunlucutan plasma tokamak pada prinsipnya sarnadengan tara kerja transformator biasa, yaitu adanyakumparan primer dan kumparan sekunder. Kum-paran primer dihubungkan dengan sumber dayadalam hat ini kapasitor yang dilucutkan melaluisebuah saklar dan sebagai sekundemya adalah torusitu sendiri seperti yang ditunjukkan Gambar 2.

Gambar 2. Sistem /ucutan torussederhana.

Proseding Perlemuan dun Presenlasi l/miahP37'Af-BATAN, YOKJ'akorla 25 -26 Ju/i 200092 Bukul

dari koil Rogowski dikenakan rangkaian integratorRC Yllng dalam ckspcrimcn ini tetapan intcgrasinyascbesar 112 j.LdClik, schingga lcgangun k~luara/l

yang diperoJeh memenuhi persamaan dibawah ini

v = nA B/RC (I

dan ditampilkan oleh layar osiloskop TRIO CS1577A.

Pengllkur Tegangall Plasma

Tegangan plasma dapat diukur dengan peng-ukur tegangan plasma. Alat ukur ini dibuat dari

bahan kawat email berdiameter 3 rom, dan dibentuk

melingkar dengan ukuran diameter sebesar diametermayor torus. Ujung terbukanya dihuhungkan

dengan pelemah tegangan biasa dengan faktorpclemah 500X. Keluaran dari pclemah tegangan inidimasukkan dalam osiloskop 11{IO CS-1577 A.

Bila iginter bekerja maka terjadi lucutan arusdi primer, dan karcna induksi mcdan ada arus Iuclltinduksi alau discbul pula arus plasma di sckundcrdalam hal ini torus.

Scbagai sumbcr daya adalah kapasitorMaxwell tipe 33006 dengan kapasitansi I 5 ~F dan

tegangan operasi maksimum 20 kV, induktansisekitar 25 nH. Kapasitor tersebut dimuati melalui

tahanan pembatas arus 100 kohm oleh sumber

tegangan tinggi Hipotronics yang mempunyaikemampuan memberikan tegangan maksimum 25kY, arus maksimum 100 mA. Kumparan primerdari bahan pips tembaga berdiameter I em, yang

dibentuk dua kerucut terpancung bertolakbelakang

dengan ujung atas dan bawah berdiameter besarkemudian mengecil ditengah, kedua ujung

berdiameter 18 em, diameter tengah 12 em, panjang28 em, jumlah lilitan 8.

Torus atau sekundemya adalah tabung lampu

gelas pireks yang mempunyai diameter mayor 18em, diameter minor 3 cm. Saluran transmisi dari

kapasitor menuju kumparan primer adalah pelataluminium sejajar dengan tebal 3 mm ukuran 50x30

cm2, dengan jarak an tar pelat sekitar 3 mm, yangdiisi isolator yang mempunyai susunan I lapisplastik, 3 lapis mylar, I lapis plastik. Sebagaisistem saklar adalah sebuah ignitron buatanMaxwell tipe GL 7003 yang mampu dialiri arus

sebesar 100 kA dan tegangan 40 kV. Ignitron

tersebut dipicu oleh rangkaian igniter. Dengan

kondisi tersebut maka sistem mampu dioperasikan

pada tegangan sampai 9 k V.

Probe Langmuir

Arus probe (arus elektron plasma) Ie dinyata-kan menurut persamaan

I; exp[-e(Vp -V8)/7;] VB oS V"

I =. (2)I' I VB > ~

dimana Ieo = S new e"(T ei2mne,) new adalah ke-

rapatan elektron plasma, dan S luasan probe, T esuhu elektron, me massa elektron, Vp potensialplasma, VB tegangan bias probe, Ieo arus jenuhelektron, ne kerapatan elektron. Dari persamaan (2)ini akan diperoleh kerapatan dan suhu elektron.Sedangkan arus ion jenuh I io mengikuti persamaan

SISTEM DIAGNOSTIK

Pengukur Arus Primer

Arus primer diukur dengan probe Rogowski.Probe Rogowski pada prinsipnya mengambil medaninduksi dari pulsa arus yang diukur kemudianmedan induksi diubah menjadi pulsa tegangan.Probe Rogowski yang dibuat 'dari kawat emailtembaga berdiameter sekitar Imm, diameterkumparan 0.4 cm, jumlah lilitan 160. Kumparan inidibentuk melingkar dengan diameter bagian dalamsekitar 6 cm. Kumparan ini ditahan oleh silinderkayu setebal 8 rom, dan diameter 6 cm, bagiantengah berlubang dengan diameter lubang sekitar 8mm untuk dimasuki pipa tembaga yang dilalui arusprimer. Arus primer memberikan induksi medanmagnet dengan arah azimuth tegak lurus terhadaparus primer. lnduksi medan magnet azimuth iniditangkap oleh koil dan diperoleh tegangan. Ujung

I; = O.6nj«l eSJ~ (3)

mi adalah massa ion, Dalam eksperimen arus baikelektron maupun ion diperoleh dengan ..mengubahpolaritas tegangan probe, untuk elektron maka ujungprobe dihubungkan dengan kutub positif sedanganuntuk ion, dihubungkan dengan kutub negatiftegangan bias. Keunggulan dari metode probe iniadalah probe yang karena ukurannya sangat kecildibanding dengan luasan plasma, maka metode inidapat mengukur arus setempat, sehingga metode inidapat digunakan untuk mengetahui profil distribusi

kerapatan plasma.

ISSN 0216 -3128Widdi Usada. dkk.

Proseding Pertemuan don Presentasi lImiahP3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Juli 2000 Buku J 93

HASIL DAN PEMBAHASAN z = ..J (LI/C) = 55 mohm

Gambar 3 memperlihatkan sinyal arus primer(gambar bawah) pad a tegangan operasi 7.5 kV,sedangkan gambar atas menunjukkan sinyal aru

plasma.

Sinjal arus primer menunjukkan bahwaperiode osilasi sekitar 60 !ldetik, sehingga induk-tansi sistem primer dapat diperoleh berdasarpersamaan

T = 21l'VLpC

dengan demikian harga induktansi primer Lp = 5.9

f.1H atau lebih besar dibanding dengan besamyainduktansi primer berdasarkan hasil perhitungan.

Gambar 4 menunjukkan sinyal teganganplas-ma pada tegangan operasi 7.5 kV isian torusgas argon I mbar.

Dari sejumlah parameter fisis sistem torusyang ada maka beberapa karakteristik sistem yangdapat diperkirakan harganya adalah (untuk f.JO = 4"

xI0.7H/m,C=15~F):

lnduktansi kumparan primer = ()Jo; A/I) = 5.2 ~H

lnduktansi primer diluar kumparan terdiridari jumlah induktansi diri kapasitor, induktansisaluran transmisi dan induktansi ignitron yangjumlahnya adalah = (25 + 40 + 5) nH = 70 nH, jadi

nilainya praktis dapat diabaikan terhadap besarinduktansi kumparan primer, sehingga induktansiprimer sekitar 5.2 ~H.

Peri ode osilasi sistem primer (7) dapatdiperkirakan sebesar :

T = 27i" (LC) = 55 Ildetik.

Impedansi sistem primer

Gambar 3. Sinyal arus primer pada tegangan 7.5 kV (bawah). Alas waktu10 pdetik/ skala. tegangan basis 2 V/skala. inte-grator RC J J 2pdetik, gambar alas menunjukkan arus plasma.

Gambar 4. Tegangan Plasma pada tegangan ope-rasi 7.5 kV. isian gasargon tekanan I mbar .alas waktu 10 pdetiklskala donpelemahan 500 Vlskala.

Proseding Pertemuan don Presentasi JtmiahP3TM.BATAN. Yogyakarta 25 -26 Juti 200094 Buku I

sehingga untuk tegangan operasi 7.5 kV diperoleh

Iprimer = 10 kA

Gambar 5 menunjukkan sinyal yang ditang-kap oleh probe Langmuir pad a posisi ke arah radialyang berbeda-beda, mulai dari posisi 0 (sumbuminor torus) bergeser ke arah radial 5 rom, 10 rom,dan 15 rom. Tegangan bias probe 0 V, alas waktu 10J.1detik/skala, dan alas tegangan 20 m V /skala.

Bt:rdasar pada sinyal arus primer yangdiperoleh maka dapat dihitung besar arus primermaksimum , yang besarnya menurut persamaanberikut ini,

Berdasar pacta sinyal tegangan plasma(gambar 4) maka tegangan maksimum plasmaadalah 150 V pacta tegangan operasi 7.5 kV.

Dari data gambar 5 tampak bahwa"sinyal dariprobe Langmuir akan mengecil seiring denganmakin besamya jarak dari sumbu minor torus. Yangbila ditabelkan dapat ditunjukkan pacta Tabel I.

lprimer = (1Z"C Vo(J+j)/ T) (3)

Gambar 5. Sinyal dari probe Langmuir dengan tegangan bias 0 pad a posisidari atas ke bawah masing-masing 5 mm, 0 (pada sumbuminor torus), 10 mm dan 15 mm ke arab radial. Alas waktu 10~detik/skala, alas tegangan 20 m V Iskala

Widdi Usada, dkk. ISSN 0216 -3128

Proseding Perlemuan don Presenlasi /lmiahP3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juli 2000 Buku / 95

Tabel 1. Kerapa/an rela/if plasma dalam torussebagai lungsi jarak radial probeLangmuir.

melalui software SPSS setelah diadakan peng-andaian fungsi yang tepat adalah bo e-bJr dandiperoleh hasil tetapan bo = 0.893 dan bl = -0.54.dan hasilnya dimasukkan pacta kolom ketiga Tabel

Jarak Radial

(mm)Kerapatan relatif

plasma(eksperimen)

Fungs! pen de-katan nreloc

e-O.54 r

0,0

5

0,9

0,65

0,5~

0,4

0,863

0,67KESIMPULAN

Sistem lucutan torus dengan peralatan diagnostiksederhana meliputi probe Langmuir, probe teganganclan probe Langmuir yang kesemuanya dibuat diP3TM telah berfungsi dengan baik. Diagnostikkerapatan plasma relatif telah dapat diperolehdengan menggunakan probe Langmuir '. clan dari

hasil data yang diperoleh kerapatan relatif plasmadalam lucutan torus mempunyai relasi eksponensialterhadap posisi radial probe Langmuir, dengantetapan peluruhan -0,54. Dengan demikian diperolehpenambahan data parameter plasma pada lucutantorus yang telah diperoleh terhadulu yaitu arusprimer, sekunder, tegangan lucut, medan magnetpoloidal. Data-data lain seperti kerapatan absolutplasma serta suhu masih perlu diamati untukmelengkapi karakteristik pelucutan torus sebagaidasar dalam penelitian tokamak.

10 0,51

0,3915

yang dapat digambarkan seperti tanpak padaGambar 6

Dari data Tabel 1 maka dapat didekati fungsiyang agak pas yang mewakili Gambar 6 yaitukerapatan relatif nrel sebagai fungsi eksponensialatau dapat dituliskan

nrel cx: e-O,S4 r ,

dengan konstanta -0,54 sebagai tetapan penurunan, rjarak atau posisi probe langmuir ke arah radial.Faktor -0,54 diperoleh dari pendekatan statistik

Gra:ftk K e 1'8 pa tan Rem tJt P ~ F\mg Ii P 0 I1Ii Ra dJal ProbePad. Lueu1an Toms ..

j~

iI)~

i~

O,J

~

.,l=i = s;;i;;i-,I=!= ~~s21

Po5Is1 Probe ~ P ~ ] (mm )

Gambar 6. Grafik kerapatan plasma relatif sebagaifungsi posisi radiual probe Langmuir.

Widdi Usada, dkk.ISSN 0216 -3128

0\

0,

Proseding Pertemllan dun Presentasi IlmiahP 3TM-BA TAN. Yogyakarla 25 -26 Juli 200096 Buku I

UCAP AN TERIMA KASIH

Segenap penulis mengucapkan terima kasihatas bantuan teknis konstruksi sistem khususnyadalam pembuatan torus baru, serta selama ekspe-rimen berlangsung, kepada Sdr. Kasiyo, GiriSlamt't, Achmad Zaenuri, Badi Wiyono danNgatinu. Tanpa bantuan mereka mustahil diperolehhasil ini dan penyelesaian laporan ini.. Penelitian inidibiayai oleh Proyek Penguasaan danPengembangan Proses pembuatan Bahan UnggulP3TM-BA TAN, tahun 1999/2000

Widdi Usada

-Seingat soya dari model slab (FFChen,"Introduction to Plasma Physics) tampaknya adokemiripan, sebagaifungsi eksponensial.

-Eksperimen mendatang (hila mungkin) denganmemberikan medan magnet toroidal.

Rony Dwi A.

-Bagaimana pengaruh kemiringan probe (posisi)terhadap hasil pengukuran? Apakah trekhisterisis mempengaruhi lucutan torus.

DAFTARPUSTAKA

J. WIDDI USADA DKK, "Lucutan Plasma BentukTorus", Prosiding PPI LITDAS IPTEK NUKLlR,PPNY-BATAN, (1996)

2. WAN Y.X, "Basic Physics of Tokamak Deviceand It's Steady State Operation", in Proc. AsianScience Seminar, (1996).

3. SHIMADA M, ET AL, Annual Report of NakaFusion Research Establihment, JAERI (1996).

4. WIDDI USADA DKK, "Medan Toroidal dalamLucutan Torus", Prosiding PPI LITDAS IPTEKNUKLlR, PPNY-BATAN (1998).

Widdi Usada

-Kemiringan probe sangat berpengaruh terhadaphasil yang diperoleh khususnya arus. Karenakemiringan probe berarti mengubah besarnyaluas permukaan probe yang menerima elek-Iron/ion, dari relasi i = A e ne (k T e /'2 me )//2,i = arus, A = luas permukaan probe, e = muatanelektron, ne = kerapatan elektron, k = tetapanBoltzmann, T e = suhu elektron. me = massa

elektron,

-Apakah efek histerisis mempengaruhi lucutantorus. Ya, bila tegangan probe sangat besar,probe akan mengganggu lucutan.

TANYAJAWABBudi Santoso

-Apakah penurunan hasil pengukuran Langmuirprobe merupakan pengurangan permukaan probeyang ditembaki oleh partikel yang bermuatan?Pramudita A.

-Apakah profil kerapatan plasma yang terukursesuai dengan suatu model teoritis?

-Eksperimen apa yang masih direncanakan untukwaktu mendatang terhadap lucutan torus ini?

Widdi Usada

-Benar, adanya penurunan memang karenajum/ah partike/ bermuatan yang mengenai probeposisi menjauh dari sumber torus berkurang.

Widdi Usada, dkk. ISSN 0216 -3128