90
Proseding Perlemuan dun Presenlasi I/miah P3TM-BATAN, Yogyakilrla 25 -26 Juli 2000
Buku /
PROFIL DISTRIBUSI LUCUTANTORUS
KERAP A TAN
PLASMA
DALAM
Widdi Usada, Suryadi, Agus Purwadi, Tri Marji Atmono Pus/i/bang Teknologi Maju -BATAN.
ABSTRAK PROFIL DISTRIBUSI KERAPATAN PLASMA DALA!r1 LUCUTAN TORUS. Tokamakadalah sistem pelucu/an plasma tanpa elektrodeyang berben/uktorus. kemudianmenampungplasma tersebutdengan medanmagnetserramemanaskan plasma dengansistempemanastambahansepertiRF. berkasneutral dan lain sebagainya. Dengan sistemini. tokamakdiharapkan menjadi salah satu fasi/itas /erdepan dalam konsepreaktorfusi. Parameterpenting dalam tokamakadalah arusplasma. /eganganluCUIplasma. suhu dan kerapatanplasma. profil kerapa/anplasma dan waktu pengungkungan. Untuk sis/emyang dimiliki P3TM ini. adalahsis/empelucutantorus.lanpa medanmagnetpengungkungdanpemanaslambahan.Hasil yang /elah dicapai /erdahulu adalah diperolehnyaparameter arus plasma. arus peluculan. legangan plasma.serramedanmagnetpoloidal. Sedangkansuhudan kerapa/an ser/aprofil kerapatanrela/if belum diperoleh. Salahsalu me/odeun/uk mengelahuisuhu dan kerapa/anser/aprofil kerapa/anrelalif (dalam hal ini ke arah radial) dalam torus adalah probe Langmuir. Probe Langmuir adalah sislem diagnos/ik plasma yang paling kuno. sederhanadan mudah dibual. Salah salu keunggulandari probe langmuir adalah kemampuannyamengukurarus selempal. Dalam eksperimenini. probe langmuir yang dibual adalah kawal berdiameler0.8 mm dari bahantungsten. Sistempeluculan torus bekerjapada lekanangas isian argon I mbar. dan leganganoperasi7..5kV. Sebagaisumberdayanyaadalah kapasilor Maxwell tipe 330006 dengankapasi/as1.5,uFodan sumberdayapengisi kapasi/or adalah Hipo/ronics model82.5-100 yang mampu memberikanarus 100 mA dan tegangan20 kV. Hasil percobaanpada penentuanprofit kerapa/anplasma relalif ke arah radial pada kondisi operasidiatas adalahprofit kerapatanrelalif plasma ke arah radial mempunyairelasi eksponensialdenganlungs; pendeka/aannyaadalah i/rel .x: e-O..5J r. r adalahposisi ke arah radial.
ABSTRACT PLASMA DENSITY DISTRIBUTION PROFILE IN TOROIDAL DISCHARGE. Tokamak is an electrode less toroidal plasma discharge system which contains and heats the plasma by using magnetic field and heating system such as RF dan neutral beams respectively. Using this system, tokamak is expected to be a most advanced facility in fusion reactor concept. The important parameters in tokamak are plasma current, 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 without confinement magnetic filed and an additional heating. The preceding result showed that it had been obatained some important parameters such as plasma current, discharge current, plasma voltage and induced poloidal magnetic filed. While plasma temperature and plasma density and its profile have not been observed. The one of some diagnostics to bc used to determine this parameter is a Langmuir probe. Langmuir probe is an oldest diagnostic tool, simple and quite easy to be made. The most advantage by using this probe is its ability to measure the current locally. In this experiment, the home made langmuir probe is a tungsten wire with 0.8 mm in diameter enveloped by glass tube and inserted in torus tube. The torus is operated at I mbar argon gas pressure and 7.5 kV operating voltage. The power source is a 330006 Maxwell type capacitor with 15 microfarad, and charging system is a 825-100 Hipotronics model which can hold 20 kV of voltage and deliver 100 mA of current. The experiment result showed 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.
PENDAHULUAN T
okamak adalah piranti berbentuk torus yang mampu menghasilkan plasma dalam sistem tanpa elektroda, menampung dan memanaskan plasma, serta mempunyai misi sebagai salah satu piranti yang mampu menghasilkan reaksi fusi
terkendali. Oleh karena itu sistem tokamak memuat peralatan bantu seperti sistem pelucut induksi, sistem medan magnet sebagai pengungkung plasma, serta sistem pemanas tambahan seperti RF, berkas neutral dan fasilitas-fasilitas lain yang sebegitu banyak dan rumitnya. Sebagai salah satu pusat riset tenaga nuklir di Indonesia, P3TM telah .~engawali
Proseding Perlemuan don Presenlasi l/miah P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Ju/i 2000
Buku
J
91
membuat fasilitas pelucutan torus buatan sendiri dengan ukuran mini dalam arti tanpa fasilitas pendukung lainnya seperti medan pengungkung dan pemanas tambahan serta mengadakan serangkaian eksperimen untuk mengukur parameter parameter dasar plasma seperti arus pelucut, arus plasma, medan magnet induksi, tegangan torus dRn lain sebagainya. Sedangkan dalam penelitian ini akan dicoba memahami kejadian dalam tabung torus, khususnya distribusi kerapatan relatif plasma. Parameter suhu clan kerapatan plasma juga merupakan parameter dasar. Ada beberapa piranti untuk menentukan suhu clan kerapatan plasma, diantaranya adalah probe Langmuir dan laser interferometri. Meskipun probe Langmuir merupakan piranti diagnostik yang paling kuno clan sederhana namun piranti tersebut masih digunakan dalam eksperimen plasma baik fasilitas plasma dalam skala kecil maupun besar, fasilitas sederhana sampai fasilitas yang sangatcanggih. Kesederhanaan probe Langmuir terletak pada kemudahan membuatnya, murah serta berukuran kecil. Probe Langmuir adalah kawat tungsten berdiameter kecil < Jmm. Probe ini akan mengukur arus yang besamya bergantung kepada besamya tegangan bias terhadap potensial plasma. Karakteristik arus-teganganprobe ini akan menentukan besamya suhu clan kerapatan plasma. Gambar I memperlihatkan probe Langmuir pada tabung torus.
Gambar 1. Probe Langmuir pada tabung torus.
BAHAN DAN METODE SISTEMPERALATAN UTAMA Proses lucutan plasma dalam torus ataupun lucutan plasma tokamak pada prinsipnya sarna dengan tara kerja transformator biasa, yaitu adanya kumparan primer dan kumparan sekunder. Kumparan primer dihubungkan dengan sumber daya dalam hat ini kapasitor yang dilucutkan melalui sebuah saklar dan sebagaisekundemya adalah torus itu sendiri seperti yang ditunjukkan Gambar 2.
Gambar 2. Sistem/ucutantorussederhana.
92
Proseding Perlemuan dun Presenlasi l/miah P37'Af-BATAN, YOKJ'akorla25 -26 Ju/i 2000
Bukul
Bila iginter bekerja maka terjadi lucutan arus di primer, dan karcna induksi mcdan ada arus Iucllt induksi alau discbul pula arus plasma di sckundcr dalam hal ini torus.
dari koil Rogowski dikenakan rangkaian integrator RC Yllng dalam ckspcrimcn ini tetapan intcgrasinya scbesar 112 j.LdClik, schingga lcgangun k~luara/l yang diperoJeh memenuhi persamaan dibawah ini
Scbagai sumbcr daya adalah kapasitor Maxwell tipe 33006 dengan kapasitansi I 5 ~F dan
v = nA B/RC
tegangan operasi maksimum 20 kV, induktansi sekitar 25 nH. Kapasitor tersebut dimuati melalui tahanan pembatas arus 100 kohm oleh sumber tegangan tinggi Hipotronics yang mempunyai kemampuan memberikan tegangan maksimum 25 kY, arus maksimum 100 mA. Kumparan primer dari bahan pips tembaga berdiameter I em, yang dibentuk dua kerucut terpancung bertolakbelakang dengan ujung atas dan bawah berdiameter besar kemudian mengecil ditengah, kedua ujung berdiameter 18 em, diameter tengah 12 em, panjang 28 em, jumlah lilitan 8. Torus atau sekundemya adalah tabung lampu gelas pireks yang mempunyai diameter mayor 18 em, diameter minor 3 cm. Saluran transmisi dari kapasitor menuju kumparan primer adalah pelat aluminium sejajar dengan tebal 3 mm ukuran 50x30 cm2, dengan jarak antar pelat sekitar 3 mm, yang diisi isolator yang mempunyai susunan I lapis plastik, 3 lapis mylar, I lapis plastik. Sebagai sistem saklar adalah sebuah ignitron buatan Maxwell 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 kV.
(I
dan ditampilkan oleh layar osiloskop TRIO CS
1577A.
Pengllkur TegangallPlasma Tegangan plasma dapat diukur dengan pengukur tegangan plasma. Alat ukur ini dibuat dari bahan kawat email berdiameter 3 rom, dan dibentuk melingkar dengan ukuran diameter sebesar diameter mayor torus. Ujung terbukanya dihuhungkan dengan pelemah tegangan biasa dengan faktor pclemah 500X. Keluaran dari pclemah tegangan ini dimasukkan dalam osiloskop 11{IO CS-1577 A.
Probe Langmuir Arus probe (arus elektron plasma) Ie dinyatakan menurut persamaan
.
I
I; exp[-e(Vp -V8)/7;]
VB oSV"
I' I
VB > ~
=
(2)
dimana Ieo = S new e"(T ei2mne,) new adalah ke-
SISTEM DIAGNOSTIK PengukurArus Primer Arus primer diukur dengan probe Rogowski. Probe Rogowski pada prinsipnya mengambil medan induksi dari pulsa arus yang diukur kemudian medan induksi diubah menjadi pulsa tegangan. Probe Rogowski yang dibuat 'dari kawat email tembaga berdiameter sekitar Imm, diameter kumparan 0.4 cm, jumlah lilitan 160. Kumparan ini dibentuk melingkar dengan diameter bagian dalam sekitar 6 cm. Kumparan ini ditahan oleh silinder kayu setebal 8 rom, dan diameter 6 cm, bagian tengah berlubang dengan diameter lubang sekitar 8 mm untuk dimasuki pipa tembaga yang dilalui arus primer. Arus primer memberikan induksi medan magnet dengan arah azimuth tegak lurus terhadap arus primer. lnduksi medan magnet azimuth ini ditangkap oleh koil dan diperoleh tegangan. Ujung
Widdi Usada.dkk.
rapatan elektron plasma, dan S luasan probe, Te suhu elektron, me massa elektron, Vp potensial plasma, VB tegangan bias probe, Ieo arus jenuh elektron, ne kerapatan elektron. Dari persamaan (2) ini akan diperoleh kerapatan dan suhu elektron. Sedangkanarus ion jenuh I io mengikuti persamaan
I; = O.6nj«l eSJ~
(3)
mi adalah massa ion, Dalam eksperimen arus baik elektron maupun ion diperoleh dengan ..mengubah polaritas tegangan probe, untuk elektron maka ujung probe dihubungkan dengan kutub positif sedangan untuk ion, dihubungkan dengan kutub negatif tegangan bias. Keunggulan dari metode probe ini adalah probe yang karena ukurannya sangat kecil dibanding dengan luasan plasma, maka metode ini dapat mengukur arus setempat, sehingga metode ini dapat digunakan untuk mengetahui profil distribusi kerapatan plasma.
ISSN 0216 -3128
ProsedingPertemuandon PresentasilImiah P3TM-BATAN,Yogyakarta25 -26 Juli 2000
Buku J
93 z = ..J(LI/C)
HASIL DAN PEMBAHASAN
= 55 mohm
Dari sejumlah parameter fisis sistem torus yang ada maka beberapa karakteristik sistem yang dapat diperkirakan harganya adalah (untuk f.JO= 4"
Gambar 3 memperlihatkan sinyal arus primer (gambar bawah) pada tegangan operasi 7.5 kV, sedangkan gambar atas menunjukkan sinyal aru
xI0.7H/m,C=15~F):
plasma.
lnduktansi kumparan primer = ()Jo; A/I) = 5.2 ~H
Sinjal arus primer menunjukkan bahwa periode osilasi sekitar 60 !ldetik, sehingga induktansi sistem primer dapat diperoleh berdasar persamaan
lnduktansi primer diluar kumparan terdiri dari jumlah induktansi diri kapasitor, induktansi saluran transmisi dan induktansi ignitron yang jumlahnya adalah = (25 + 40 + 5) nH = 70 nH, jadi nilainya praktis dapat diabaikan terhadap besar induktansi kumparan primer, sehingga induktansi primer sekitar 5.2 ~H. Periode osilasi sistem primer
diperkirakansebesar: T = 27i" (LC) = 55 Ildetik.
(7) dapat
T = 21l'VLpC dengan demikian harga induktansi primer Lp = 5.9 f.1Hatau lebih besar dibanding dengan besamya induktansi primer berdasarkanhasil perhitungan. Gambar 4 menunjukkan sinyal tegangan plas-ma pada tegangan operasi 7.5 kV isian torus gas argon I mbar.
Impedansi sistem primer
Gambar 3. Sinyalarusprimerpada tegangan 7.5kV (bawah).Alas waktu 10 pdetik/ skala.teganganbasis2 V/skala.inte-gratorRC JJ2 pdetik, gambaralasmenunjukkan arusplasma.
Gambar 4.
Tegangan Plasma pada tegangan ope-rasi 7.5 kV. isian gas argon tekanan I mbar .alas waktu 10 pdetiklskala don pelemahan 500 Vlskala.
94
Buku I
Gambar 5 menunjukkan sinyal yang ditangkap oleh probe Langmuir pada posisi ke arah radial yang berbeda-beda, mulai dari posisi 0 (sumbu minor torus) bergeser ke arah radial 5 rom, 10 rom, dan 15 rom. Tegangan bias probe 0 V, alas waktu 10 J.1detik/skala,dan alas tegangan20 m V/skala. Bt:rdasar pada sinyal arus primer yang diperoleh maka dapat dihitung besar arus primer maksimum , yang besarnya menurut persamaan berikut ini, lprimer
= (1Z"C Vo(J+j)/
T)
ProsedingPertemuandon PresentasiJtmiah P3TM.BATAN.Yogyakarta25 -26 Juti 2000 sehingga untuk tegangan operasi 7.5 kV diperoleh Iprimer = 10 kA
Berdasar pacta sinyal tegangan plasma (gambar 4) maka tegangan maksimum plasma adalah 150 V pactategangan operasi 7.5 kV. Dari data gambar 5 tampak bahwa"sinyal dari probe Langmuir akan mengecil seiring dengan makin besamyajarak dari sumbu minor torus. Yang bila ditabelkan dapat ditunjukkan pactaTabel I.
(3)
Gambar 5. Sinyal dari probe Langmuir dengan teganganbias 0 pada posisi dari atas ke bawah masing-masing 5 mm, 0 (pada sumbu minor torus), 10 mm dan 15 mm ke arab radial. Alas waktu 10 ~detik/skala, alas tegangan20 m VIskala
Widdi Usada,dkk.
ISSN 0216 -3128
Proseding Perlemuan don Presenlasi /lmiah P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juli 2000
Buku/
Tabel 1. Kerapa/an rela/if plasma dalam torus sebagai lungsi jarak Langmuir. Jarak Radial
radial probe
(mm)
Kerapatan relatif plasma (eksperimen)
Fungs! pendekatan nreloc e-O.54r
0,0
0,9
0,863
5
0,65
0,67
0,5
0,51
0,4
0,39
10 ~
15
yang dapat digambarkan seperti tanpak pada Gambar 6 Dari data Tabel 1 maka dapat didekati fungsi yang agak pas yang mewakili Gambar 6 yaitu kerapatan relatif nrel sebagai fungsi eksponensial atau dapat dituliskan nrel
cx: e-O,S4r
,
dengan konstanta -0,54 sebagaitetapan penurunan,r jarak atau posisi probe langmuir ke arah radial. Faktor -0,54 diperoleh dari pendekatan statistik
.
O,J
i
0\
I)
~
melalui software SPSS setelah diadakan pengandaian fungsi yang tepat adalah bo e-bJr dan diperoleh hasil tetapan bo = 0.893 dan bl = -0.54. dan hasilnya dimasukkan pacta kolom ketiga Tabel
KESIMPULAN Sistem lucutan torus dengan peralatan diagnostik sederhanameliputi probe Langmuir, probe tegangan clan probe Langmuir yang kesemuanya dibuat di P3TM telah berfungsi dengan baik. Diagnostik kerapatan plasma relatif telah dapat diperoleh dengan menggunakan probe Langmuir '. clan dari hasil data yang diperoleh kerapatan relatif plasma dalam lucutan torus mempunyai relasi eksponensial terhadap posisi radial probe Langmuir, dengan tetapan peluruhan -0,54. Dengan demikian diperoleh
penambahandata parameterplasma pada lucutan torus yang telah diperoleh terhadulu yaitu arus primer, sekunder, tegangan lucut, medan magnet poloidal. Data-data lain seperti kerapatan absolut plasma serta suhu masih perlu diamati untuk melengkapi karakteristik pelucutan torus sebagai dasardalam penelitian tokamak.
Gra:ftk K e1'8patan RemtJt P~ F\mg Ii P 0I1Ii Ra dJal Probe Pad. Lueu1an Toms .
j
~
95
~
l=i = s;;i;;i-,
0,.
I=!= ~~s21
,
i~ Po5Is1Probe ~
P~
] (mm )
Gambar 6. Grafik kerapatanplasmarelatif sebagaifungsiposisi radiual probe Langmuir.
ISSN 0216 -3128
Widdi Usada,dkk.
96
UCAP AN TERIMA KASIH
Widdi
Segenap penulis mengucapkan terima kasih atas bantuan teknis konstruksi sistem khususnya dalam pembuatan torus baru, serta selama eksperimen berlangsung, kepada Sdr. Kasiyo, Giri Slamt't, Achmad Zaenuri, Badi Wiyono dan Ngatinu. Tanpa bantuan mereka mustahil diperoleh hasil ini dan penyelesaian laporan ini.. Penelitian ini dibiayai oleh Proyek Penguasaan dan Pengembangan Proses pembuatan Bahan Unggul P3TM-BA TAN, tahun 1999/2000
DAFTARPUSTAKA
2. WAN Y.X, "Basic Physics of Tokamak Device and It's Steady State Operation", in Proc. Asian Science Seminar, (1996). 3. SHIMADA M, ET AL, Annual Report of Naka Fusion ResearchEstablihment, JAERI (1996). 4. WIDDI USADA DKK, "Medan Toroidal dalam Lucutan Torus", Prosiding PPI LITDAS IPTEK NUKLlR, PPNY-BATAN (1998).
yang
-Bagaimana pengaruh kemiringan probe (posisi) terhadap hasil pengukuran? Apakah trek histerisis mempengaruhi lucutan torus.
-Kemiringan probe sangat berpengaruh terhadap hasil yang diperoleh khususnya arus. Karena kemiringan probe berarti mengubah besarnya luas permukaan probe yang menerima elekIron/ion, dari relasi i = A e ne (k Te /'2 me )//2, i = arus, A = luas permukaan probe, e = muatan elektron, ne = kerapatan elektron, k = tetapan Boltzmann, Te = suhu elektron. me = massa elektron, -Apakah efek histerisis mempengaruhi lucutan torus. Ya, bila tegangan probe sangat besar, probe akan mengganggu lucutan.
terukur
sesuaidengansuatumodelteoritis? -Eksperimen apa yang masihdirencanakanuntuk waktumendatangterhadaplucutantorus ini?
Widdi Usada, dkk.
Rony Dwi A.
-Apakah penurunan hasil pengukuran Langmuir probe merupakan pengurangan permukaan probe yang ditembaki oleh partikel yang bermuatan?
Pramudita A. kerapatan plasma
-Eksperimen mendatang (hila mungkin) dengan memberikan medan magnet toroidal.
Budi Santoso
TANYAJAWAB
profil
Usada
-Seingat soya dari model slab (FFChen, "Introduction to Plasma Physics) tampaknya ado kemiripan, sebagaifungsi eksponensial.
Widdi Usada
J. WIDDI USADA DKK, "Lucutan Plasma Bentuk Torus", Prosiding PPI LITDAS IPTEK NUKLlR, PPNY-BATAN, (1996)
-Apakah
Proseding Pertemllan dun Presentasi Ilmiah P3TM-BA TAN. Yogyakarla 25 -26 Juli 2000
BukuI
Widdi Usada -Benar, adanya penurunan memang karena jum/ah partike/ bermuatan yang mengenai probe posisi menjauh dari sumber torus berkurang.
ISSN 0216 -3128
