Precise regulation of plasma density is crucial for achieving and maintaining fusion-relevant conditions in reactor-grade tokamaks. Tokamak reactors will utilize both gas puffing and pellet injection as standard fueling mechanisms. However, the coordinated use of gas puffing and pellet injection within feedback control frameworks is largely unexplored, underscoring the necessity to develop and validate dedicated strategies on existing machines. These strategies must address the various challenges associated with both actuators, including actuation delays, unknown fueling efficiencies, and the coexistence of continuous-time and discrete-time dynamics. To overcome these challenges, which surpass the capabilities of traditional empirically tuned proportional-integral-derivative (PID) control, an indirect adaptive control algorithm is proposed in this work for the regulation of the line-averaged electron density through coordinated gas puffing and pellet injection. After initial validation in simulations with a multi-reservoir global particle model, the controller was successfully implemented and tested on the DIII-D tokamak. Experimental results demonstrate robust density tracking under reactor-relevant scenarios, showcasing the controller’s ability to seamlessly coordinate actuators while handling disturbances and evolving actuator constraints. This work provides a critical step forward in the control of future fusion reactors.
プラズマ密度の精密な制御は、炉級トカマクにおいて核融合関連条件を達成し維持するために極めて重要である。トカマク炉は、標準的な燃料供給機構としてガスパフとペレット入射の両方を利用するであろう。しかしながら、フィードバック制御フレームワーク内でのガスパフとペレット入射の協調使用はほとんど未開拓であり、既存の装置で専用戦略を開発し検証する必要性が強調される。これらの戦略は、作動遅延、未知の燃料供給効率、連続時間および離散時間の動特性の共存など、両アクチュエータに関連するさまざまな課題に対処しなければならない。従来の経験的に調整された比例・積分・微分(PID)制御の能力を超えるこれらの課題を克服するために、本作業では、ガスパフとペレット入射の協調による線平均電子密度の制御のための間接適応制御アルゴリズムを提案する。多リザーバーグローバル粒子モデルを用いたシミュレーションでの初期検証の後、この制御器はDIII-Dトカマクに正常に実装され試験された。実験結果は、炉心関連シナリオにおけるロバストな密度追従を示し、外乱や変化するアクチュエータ制約を処理しながらアクチュエータをシームレスに協調させる制御器の能力を実証している。本作業は、将来の核融合炉の制御における重要な前進を提供する。