Plasma shape control is a fundamental tool for effective tokamak operation, allowing improved plasma performance and the pursuit of challenging scientific objectives. In this framework, the Tokamak á Configuration Variable (TCV) of the École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), with its large set of independent poloidal field (PF) coils, provides one of the best possible testbeds for such a control system. This article describes the design, implementation, and experimental validation of a novel shape control system for TCV. In the proposed design, the existing magnetic control architecture of TCV, which takes care of vertically stabilizing the plasma and controlling its position, current, and the scenario currents flowing in the PF coils, is left unmodified. The proposed shape controller acts on the reference signals fed to this control loop, leveraging it to fulfill the primary magnetic control objectives while driving the plasma shape toward the desired reference. This design choice results in greater compatibility between the existing magnetic controllers and the new shape controller, minimizing the effort required to deploy the proposed controller over the wide range of accessible TCV plasma shapes. The design and tuning procedures of this novel shape controller using linearized free-boundary magnetic control simulations have been integrated with the shot preparation tools at the Swiss Plasma Center of the EPFL, with the aim of providing the machine operators with a flexible and robust tool that can be easily tuned and validated in simulation in-between shots. The effectiveness of the proposed approach is demonstrated through experiments performed on a variety of plasma configurations.
プラズマ形状制御は、効果的なトカマク運転のための基本的なツールであり、プラズマ性能の向上と困難な科学的目標の追求を可能にする。この枠組みにおいて、スイス連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）のTokamak á Configuration Variable（TCV）は、多数の独立したポロイダル磁場（PF）コイルを備えており、そのような制御システムにとって可能な限り最良のテストベッドの一つを提供する。本稿では、TCV向けの新規形状制御システムの設計、実装、および実験的検証について述べる。提案する設計では、プラズマの垂直安定化と、その位置、電流、およびPFコイルに流れるシナリオ電流の制御を担う既存のTCV磁気制御アーキテクチャは変更されない。提案する形状コントローラは、この制御ループに供給される参照信号に作用し、それを活用して主要な磁気制御目標を達成しつつ、プラズマ形状を所望の参照値へと駆動する。この設計選択により、既存の磁気制御器と新たな形状制御器との間のより高い互換性がもたらされ、アクセス可能な広範囲なTCVプラズマ形状にわたって提案制御器を展関するために必要な労力が最小限に抑えられる。線形化された自由境界磁気制御シミュレーションを用いたこの新し形状制御器の設計・調整手順は、EPFLのスイス・プラズマ・センターにおけるショット準備ツールに統合されており、運転員に対し、ショット間でシミュレーションにおい容易に調整・検証できる柔軟で堅牢なツールを提供することを目的としている。提案手法の有効性は、多様なプラズマ配位での実験を通じて実証される。