A new paradigm is presented to reconstruct the plasma current density profile in a tokamak in real-time. The traditional method of basing the reconstruction on real-time diagnostics combined with a real-time Grad–Shafranov solver suffers from the difficulty of obtaining reliable internal current profile measurements with sufficient spatial and temporal accuracy to have a complete picture of the profile evolution at all times. A new methodology is proposed in which the plasma current density profile is simulated in real-time by solving the first-principle physics-based equations determining its evolution. Effectively, an interpretative transport simulation similar to those run today in post-plasma shot analysis is performed in real-time. This provides real-time reconstructions of the current density profile with spatial and temporal resolution constrained only by the capabilities of the computational platform used and not by the available diagnostics or the choice of basis functions. The diagnostic measurements available in real-time are used to constrain and improve the accuracy of the simulated profiles. Estimates of other plasma quantities, related to the current density profile, become available in real-time as well. The implementation of the proposed paradigm in the TCV tokamak is discussed, and its successful use in plasma experiments is demonstrated. This framework opens up the possibility of unifying q profile reconstructions across different tokamaks using a common physics model and will support a wealth of applications in which improved real-time knowledge of the plasma state is used for feedback control, disruption avoidance, scenario monitoring and external disturbance estimation.
トカマクにおけるプラズマ電流密度分布をリアルタイムで再構成するための新しいパラダイムを提示する。リアルタイム診断とリアルタイムGrad–Shafranovソルバーを組み合わせた従来の再構成手法は、プロファイルの時間発展を完全に把握するために十分な空間的・時間的精度を備えた信頼性の高い内部電流分布測定が困難であるという問題を抱えている。本稿では、その時間発展を決定する第一原理に基づく方程式を解くことにより、プラズマ電流密度分布をリアルタイムでシミュレーションする新しい方法論を提案する。実質的には、現在プラズマショット後の解析で行われている解釈的輸送シミュレーションをリアルタイムで実行するものである。これにより、電流密度分布の再構成が、利用可能な診断装置や基底関数の選択に制約されることなく、使用する計算プラットフォームの能力のみによって空間的・時間的解像度が制限される形でリアルタイムに実現される。リアルタイムで利用可能な診断測定値は、シミュレーションされたプロファイルの精度を検証し向上させるために使用される。さらに、電流密度分布に関連する他のプラズマ物理量の推定値もリアルタイムで得られる。提案するパラダイムのTCVトカマクへの実装について議論し、プラズマ実験におけるその有効性を実証する。この枠組みは、共通の物理モデルを用いて異なるトカマク間でq分布再構成を統合する可能性を開き、フィードバック制御、ディスラプション回避、シナリオ監視、外部擾乱推定など、プラズマ状態のリアルタイム知識の向上が活用される幅広い応用を支援するものである。