Plasma state reconstruction methods combining measurements and physics modeling improve the estimation of physics quantities in real-time and in post-discharge analysis. We present a workflow to reconstruct the dynamic evolution of a set of internal tokamak plasma profiles with consistent equilibria, as applied in this paper for experimental data from TCV L and H-mode discharges. Plasma profile estimates for electron temperature Te, electron density ne and parallel current density are obtained by data assimilation of Thomson scattering (TS) measurements into RAPTOR modeling, using an Extended Kalman Filter (EKF). A new kinetic equilibrium reconstruction method ensures mutual consistency of free-boundary equilibrium reconstruction, core plasma profile estimates and mapping of the TS measurements to flux surface coordinates. The RAPTOR code captures the coupled dynamics of electron heat, particle and current density transport and includes a model for the onset conditions of sawtooth instabilities and the resulting profile relaxations after a sawtooth crash, enabling a realistic q profile reconstruction even in the absence of direct measurements. During ohmic phases with sawtooth instabilities, the sawtooth period and inversion radius inferred from soft x-ray measurements are in excellent agreement with RAPTOR EKF inner q profile reconstructions and the predicted sawtooth dynamics, even for transient phases. In addition to the plasma profiles, the EKF allows to infer unknown physics quantities such as the effective charge and the on-axis ion-to-electron temperature ratio , as well as transport model parameters. Continuously updating the transport model parameters for electron heat and density transport, based on the available measurements, is an effective way to reduce the model-to-reality gap, as required for real-time model-based control of fusion reactor plasmas.
プラズマ状態再構成手法は、測定と物理モデリングを組み合わせることで、リアルタイムおよび放電後解析における物理量の推定を向上させる。我々は、一貫した平衡状態とともに一連の内部トカマクプラズマプロファイルの動的発展を再構成するワークフローを提示する。本論文では、TCVのLモードおよびHモード放電からの実験データに適用した。電子温度Te、電子密度ne、および平行電流密度 のプラズマプロファイル推定は、拡張カルマンフィルタ(EKF)を用いて、トムソン散乱(TS)測定をRAPTORモデリングにデータ同化することにより得られる。新しい運動論的平衡再構成手法は、自由境界平衡再構成、コアプラズマプロファイル推定、およびTS測定の磁束面座標へのマッピングの相互整合性を保証する。RAPTORコードは、電子熱、粒子、および電流密度輸送の連成ダイナミクスを捉え、鋸歯状不安定性の発生条件と鋸歯状クラッシュ後の結果として生じるプロファイル緩和のモデルを含むため、直接測定がなくても現実的なqプロファイル再構成を可能にする。鋸歯状不安定性を伴うオーミック位相中、軟X線測定から推定された鋸歯状周期と反転半径は、過渡位相においても、RAPTOR EKF内部qプロファイル再構成および予測された鋸歯状ダイナミクスと非常によく一致する。プラズマプロファイルに加えて、EKFは、実効電荷 および軸上イオン対電子温度比 などの未知の物理量、ならびに輸送モデルパラメータを推定することを可能にする。利用可能な測定に基づいて電子熱および密度輸送の輸送モデルパラメータを継続的に更新することは、核融合炉プラズマのリアルタイムモデルベース制御に必要とされるように、モデルと現実のギャップを低減する効果的な方法である。