Tight regulation of the burn condition in ITER has been proven possible in simulations by the use of robustification techniques even under emulated time-dependent variations in the fuel concentration. One of the most fundamental control problems arising in ITER and future burning-plasma tokamaks is the regulation of the plasma temperature and density to produce a determined amount of fusion power while avoiding possible thermal instabilities. Such problem, known as burn control, requires the development of controllers that integrate all the available actuators. Moreover, the complex burning-plasma dynamics and the uncertain nature of some of its components suggest that nonlinear, robust, burn controllers are necessary. For instance, the deuterium–tritium concentration in the fueling lines may vary over time and the estimation of such variation during operation may be difficult or not even possible. Available actuators for the regulation of the burn condition are auxiliary power modulation, fueling rate modulation, and impurity injection. Also, recent experiments in the DIII-D tokamak have shown that in-vessel coil-current modulation can be used for burn control purposes. The in-vessel coils generate non-axisymmetric magnetic fields that have the capability to decrease the plasma-energy confinement time, which allows for regulation of the plasma energy during positive energy perturbations. In this work, all these actuators are used to design a nonlinear burn controller which is robust to unknown variations in the deuterium–tritium concentration of the fueling lines. Furthermore, fueling rate modulation is not only used to control the plasma density, but also to control the plasma energy, if necessary, by means of isotopic fuel tailoring. The model-based nonlinear controller is synthesized from a zero-dimensional model of the burning-plasma dynamics. A nonlinear simulation study is carried out to illustrate the successful controller performance in ITER-like scenarios in which unknown variations of the deuterium–tritium concentration of the fueling lines are emulated.
ITERにおける燃焼条件の厳密な制御は、燃料濃度の模擬された時間依存変動の下でも、ロバスト化手法を用いることによりシミュレーションで可能であることが実証されている。ITERおよび将来の燃焼プラズマ・トカマクにおいて生じる最も基本的な制御問題の一つは、潜在的な熱的不安定性を回避しつつ、所定の核融合出力を生成するためのプラズマ温度と密度の制御である。燃焼制御として知られるこの問題は、利用可能なすべてのアクチュエータを統合する制御器の開発を必要とする。さらに、複雑な燃焼プラズマのダイナミクスとその構成要素の一部の不確実な性質は、非線形でロバストな燃焼制御器が必要であることを示唆している。例えば、燃料供給ライン内の重水素–トリチウム濃度は時間とともに変動する可能性があり、運転中のそのような変動の推定は困難であるか、あるいは不可能でさえあるかもしれない。燃焼条件の制御に利用可能なアクチュエータは、補助電力変調、燃料供給率変調、および不純物注入である。また、DIII-Dトカマクにおける最近の実験は、容器内コイル電流変調が燃焼制御の目的に使用できることを示している。容器内コイルは非軸対称磁場を生成し、それがプラズマエネルギー閉じ込め時間を減少させる能力を持ち、これにより正のエネルギー摂動中にプラズマエネルギーの制御が可能になる。本研究では、これらすべてのアクチュエータを用いて、燃料供給ラインの重水素–トリチウム濃度の未知の変動に対してロバストな非線形燃焼制御器を設計する。さらに、燃料供給率変調は、プラズマ密度を制御するためだけでなく、必要に応じて同位体燃料調整によりプラズマエネルギーを制御するためにも使用される。モデルベース非線形制御器は、燃焼プラズマのダイナミクスのゼロ次元モデルから合成される。燃料供給ラインの重水素–トリチウム濃度の未知の変動が模擬されるITER類似シナリオにおいて、制御器の成功した性能を実証するために非線形シミュレーション研究が実施される。