Many challenging plasma control problems still need to be addressed in order for the ITER plasma control system (PCS) to be able to maintain the plasma within a predefined operational space and optimize the plasma state evolution in the tokamak, which will greatly aid in the successful achievement of ITER's goals. Firstly in this work, a general control-oriented, physics-based modeling approach is developed to obtain first-principles-driven (FPD) models of the plasma magnetic profile and stored energy evolutions valid for high performance, high confinement (H-mode) scenarios, with the goal of developing model-based closed-loop algorithms to control the safety factor profile (q profile) and stored energy evolutions in the tokamak. The FPD model is tailored to H-mode burning plasma scenarios in ITER by employing the DINA-CH & CRONOS free-boundary tokamak simulation code, and the FPD model's prediction capabilities are demonstrated by comparing the prediction to data obtained from DINA-CH & CRONOS. Secondly, a model-based feedback control algorithm is designed to simultaneously track target q profile and stored energy evolutions in H-mode burning plasma scenarios in ITER by embedding the developed FPD model of the magnetic profile evolution into the control design process. The feedback controller is designed to ensure that the closed-loop system is robust to uncertainties in the electron density, electron temperature and plasma resistivity, and is tested in simulations with the developed FPD model. The effectiveness of the controller is demonstrated by first tracking nominal q profile and stored energy target evolutions, and then modulating the generated fusion power while maintaining the q profile in a stationary condition. In the process, many key practical issues for plasma profile control in ITER are investigated, which will be useful for the development of the ITER PCS that has recently been initiated. Some of the more pertinent investigated issues are the time necessary to drive the q profile and stored energy to a target evolution, and whether plasma control can be achieved through the use of separate individual control algorithms or whether a more fully integrated approach is required.
ITERプラズマ制御システム(PCS)がプラズマを所定の運転領域内に維持し、トカマク内でのプラズマ状態の時間発展を最適化できるようにするためには、未だ解決すべき多くの困難なプラズマ制御問題が残されている。これはITERの目標達成を大いに促進するものである。まず本研究では、高性能・高閉じ込め(Hモード)シナリオにおいて有効な、プラズマ磁気プロファイルおよび蓄積エネルギーの時間発展を記述する第一原理駆動(FPD)モデルを取得するための、一般的な制御指向・物理ベースモデリング手法を開発する。その目標は、トカマク内での安全係数プロファイル(qプロファイル)および蓄積エネルギーの時間発展を制御するためのモデルベース閉ループアルゴリズムを開発することである。FPDモデルは、DINA-CC&CRONCH自由境界トカマクシミュレーションコードを用いて、ITERにおけるHモード燃焼プラズマシナリオに適合化され、その予測能力はDINA-CC&CRONCHから得られたデータとの比較によって実証される。次に、磁気プロファイルの時間発展を記述する開発済みFPDモデルを制御設計プロセスに組み込むことにより、Hモード燃焼プラズマシナリオにおいて目標qプロファイルおよび蓄積エネルギーの時間発展を同時に追従するモデルベースフィードバック制御アルゴリズムを設計する。フィードバック制御器は、電子密度、電子温度、およびプラズマ抵抗率の不確かさに対して閉ループ系がロバストであるように設計され、開発済みFPDモデルを用いたシミュレーションによって検証される。制御器の有効性は、まず定常状態における目標qプロファイルおよび蓄積エネルギーの時間発展を追従し、その後qプロファイルを維持しながら生成核融合出力を変調することによって実証される。この過程において、ITERにおけるプラズマプロファイル制御に関する多くの重要な実践的課題が調査されるが、これは最近開始されたITER PCS開発に有用である。調査されたより関連性の高い課題には、qプロファイルおよび蓄積エネルギーを目標とする時間発展へ駆動するために必要な時間、ならびにプラズマ制御が個別の制御アルゴリズムの使用によって達成可能かどうか、あるいはより完全に統合されたアプローチが必要かどうかが含まれる。