One of the fundamental problems in tokamak fusion reactors is how to control the plasma density and temperature in order to regulate the amount of fusion power produced by the device. Control of these parameters will be critical to the success of burning plasma experiments like ITER. The most previous burn condition control efforts use either non-model based control designs or techniques based on models linearized around particular operating points. Such strategies limit the potential operational space and must be carefully retuned or redesigned to accommodate changes in operating points or plasma parameters. In this work, a nonlinear dynamic model of the spatial averages of energy and ion species densities is used to synthesize a nonlinear feedback controller for stabilizing the burn condition. The nonlinear model-based control strategy guarantees a much larger operational space than previous linear controllers. Because it is not designed around a particular operating point, the controller can be used to move from one burn condition to another. The proposed scheme first attempts to use regulation of the auxiliary heating power to reject temperature perturbations, then, if necessary, uses isotopic fuel tailoring as a way to reduce fusion heating during positive temperature perturbations. A global model of hydrogen recycling is incorporated into the model used for design and simulation, and the proposed control scheme is tested for a range of recycling model parameters. As we find the possibility of changing the isotopic mix can be limited for certain unfavorable recycling conditions, we also consider impurity injection as a back-up method for controlling the system. A simple supervisory control strategy is proposed to switch between the primary and back-up control schemes based on stability and performance criteria. A zero-dimensional simulation study is used to study the performance of the control scheme for several scenarios and model parameters. Finally, a one-dimensional simulation is done to test the robustness of the control scheme to spatially varying parameters.
トカマク核融合炉における基本的な問題の一つは、装置によって生成される核融合出力の量を調節するために、プラズマ密度と温度をどのように制御するかということである。これらのパラメータの制御は、ITERのような燃焼プラズマ実験の成功にとって極めて重要となる。これまでの燃焼状態制御の取り組みのほとんどは、モデルに基づかない制御設計か、特定の動作点の周りで線形化された手法のいずれかを用いていた。そのような戦略は、動作可能な範囲を制限し、動作点やプラズマパラメータの変化に対応するために、注意深い再調整や再設計を必要とする。本研究では、空間平均されたエネルギー密度とイオン種密度の非線形動的モデルを用いて、燃焼状態を安定化するための非線形フィードバック制御器を合成する。この非線形モデルに基づく制御戦略は、従来の線形制御器よりもはるかに広い動作範囲を保証する。特定の動作点を前提として設計されていないため、この制御器はある燃焼状態から別の燃焼状態への遷移にも適用可能である。提案手法では、まず補助加熱出力の調節による温度摂動の抑制を試み、必要に応じて、正の温度摂動時に核融合加熱を低減する手段として同位体燃料調整を用いる。モデル化およびシミュレーションには水素リサイクリングの全体モデルが組み込まれており、提案する制御方式は、さまざまなリサイクリングパラメータに対して検証される。特定の好ましくないリサイクリング条件下では同位体組成の変更が限られる可能性があることが判明したため、システムを制御するための代替手段として不純物注入も検討する。一次制御方式と代替制御方式の切り替えには、安定性と性能の基準に基づく簡易な監視制御戦略を提案する。ゼロ次元シミュレーションを用いて、複数のシナリオおよびモデルパラメータに対する制御方式の性能を評価する。最後に、一次元シミュレーションを実施し、空間的に変動するパラメータに対する制御方式のロバスト性を検証する。