Diseño de un sistema de posicionamiento para la sonda de Langmuir del Stellarator de Costa Rica 1

Abstract

La fusión nuclear ofrece múltiples ventajas frente a otras formas alternativas de obtención de energía. Ante este panorama, la investigación en dispositivos para lograr fusión controlada ha sido llevada a cabo por expertos en todo el mundo, donde los dispositivos de confinamiento magnético como el stellarator y el tokamak son las principales líneas de investigación. En Costa Rica se encuentra uno de los seis dispositivos stellarator del mundo: el Stellarator de Costa Rica 1 o SCR-1. La investigación en fusión nuclear es paralela a la investigación de plasmas, donde se cuenta con múltiples dispositivos para caracterizar al plasma. Uno de los dispositivos es la sonda de Langmuir, el cual sirve para medir la densidad, potencial y temperatura del plasma mediante unos electrodos metálicos que se introducen en el plasma. La sonda generalmente cuenta con un sistema de posicionamiento, ya que las mediciones de la sonda son locales y en dispositivos de fusión se realizan mediciones a lo largo del borde del plasma. Los plasmas de fusión alcanzan temperaturas de millones de grados Celsius y para evitar la destrucción de los electrodos inmersos en el plasma, se reduce el tiempo de inserción mediante movimientos de alta velocidad. El SCR-1 cuenta con una sonda de Langmuir y un posicionamiento manual de la misma, lo que implica que la sonda es estática durante la descarga del plasma y para realizar mediciones a lo largo del borde son necesarias múltiples descargas, lo que involucra varias horas de trabajo y también resultados no constantes. El objetivo de este informe es mostrar el diseño de un sistema de posicionamiento automático para desplazamientos de alta velocidad. El diseño consiste en todo el sistema de posicionamiento de la sonda, que incluye los componentes de vacio, el movimiento axial y el control automático del mismo. El sistema de posicionamiento cumple con los requerimientos que exponen los investigadores del Laboratorio de Plasmas para Fusión Nuclear y Aplicaciones del ITCR, donde se encuentra el SCR-1. Este sistema alcanza velocidades de hasta 3.5m/s2 y ofrece la ventaja, frente a otros dispositivos similares, que se utiliza un único actuador para distintos movimientos.

Nuclear fusion offers multiple advantages over other alternative forms of obtaining energy. Faced with this panorama, research on devices to achieve controlled fusion has been carried out by experts around the world, where magnetic con nement devices such as the stellarator and the tokamak are the topics of the main research. In Costa Rica, there is one of six stellarator devices in the world, the Stellarator of Costa Rica 1 or SCR-1. The research in nuclear fusion is parallel to the investigation of plasmas and, in plasma investigation, there are multiple devices to characterize it. One of the devices is the Langmuir probe, which serves to measure the density, potential, and temperature of the plasma by introducing metallic electrodes into the plasma. The probe usually has a positioning system, since the measurements of the probe are local and in fusion devices, measurements are made along the edge of the plasma. The fusion plasmas reach temperatures of millions of degrees Celsius and to avoid the destruction of the electrodes immersed in the plasma, the insertion time is reduced by high-speed movements. The SCR-1 has a Langmuir probe and a manual positioning of it, which implies that the probe is static during the discharge of the plasma and to make measurements along the edge, multiple discharges are necessary; these involve several hours of work and also non-constant results. The purpose of this report is to show the design of an automatic positioning system for high-speed travel. The design consists of the entire positioning system of the probe, which includes the vacuum components, the axial movement, and the automatic control thereof. The positioning system complies with the requirements stated by the researchers of the Plasma Laboratory for Nuclear Fusion and Applications of the ITCR, where the SCR-1 is located. This system reaches speeds of up to 3.5m/s2 and offers the advantage, over other similar devices, that a single actuator is used for different movements.