We present the FreeGSNKE pulse design tool (FPDT), an open-source, Python-based computational framework that enables in silico testing and predictive design of tokamak plasma scenarios and control strategies. The FPDT couples the FreeGSNKE evolutive equilibrium solver with a virtual plasma control system (PCS) containing modular and customisable controllers. Given a set of user-defined waveforms and control parameters, the virtual PCS uses feedback and feedforward control to modulate plasma current, position, and shape, while adhering to machine safety limits on poloidal field (PF) coil currents and voltages. The resulting framework allows simulation of the controlled dynamic evolution of plasma equilibria, along with the currents in both active PF coils and passive conducting structures, under the assumption of axisymmetry. The FPDT can be used to develop plasma scenarios, test control schemes, calibrate control parameters, and perform uncertainty quantification studies, thereby reducing iterative and expensive experimental testing on a physical tokamak. The FPDT is machine-agnostic and can be customised to implement different control algorithms tailored to the specific tokamak of interest. Here, we outline the overall framework and validate its performance on plasma discharges on the MAST Upgrade tokamak in the ‘flat-top’ phase. We demonstrate excellent quantitative agreement between the FPDT simulations, the desired control waveforms, and the experimental shot data. With this extension to the FreeGSNKE open-source suite of codes we aim to encourage more reproducible and collaborative research in plasma modeling and control.
我々は、FreeGSNKEパルス設計ツール（FPDT）を提示する。これは、トカマクプラズマシナリオと制御戦略のin silico試験および予測設計を可能にする、オープンソースのPythonベースの計算フレームワークである。FPDTは、FreeGSNKE進化平衡ソルバーと、モジュール式でカスタマイズ可能なコントローラを含む仮想プラズマ制御システム（PCS）を結合する。ユーザー定義の波形と制御パラメータのセットが与えられると、仮想PCSは、ポロイダル磁場（PF）コイル電流および電圧に関する機器の安全限界を順守しながら、フィードバックおよびフィードフォワード制御を用いてプラズマ電流、位置、および形状を変調する。結果として得られるフレームワークにより、軸対称性の仮定の下で、プラズマ平衡の制御された動的進化と、能動PFコイルおよび受動導体構造の両方における電流のシミュレーションが可能になる。FPDTは、プラズマシナリオの開発、制御スキームの試験、制御パラメータの較正、および不確実性定量化研究の実施に使用でき、それにより実トカマクにおける反復的で高コストな実験試験を削減できる。FPDTは機器に依存せず、対象とする特定のトカマクに合わせた異なる制御アルゴリズムを実装するようにカスタマイズできる。ここでは、全体的なフレームワークを概説し、MAST Upgradeトカマクの「フラットトップ」位相におけるプラズマ放電での性能を検証する。我々は、FPDTシミュレーション、目標制御波形、および実験ショットデータ間の優れた定量的一致を示す。FreeGSNKEオープンソースコード群へのこの拡張により、プラズマモデリングと制御における、より再現可能で協力的な研究を促進することを目指す。