For ITER operations, the range of desirable burning-plasma regimes with high fusion power output will be restricted by various operational constraints. These constraints include the saturation of ITER's various heating and fueling actuators such as the neutral beam injectors, the ion and electron cyclotron heating systems, the gas puffing system, and the deuterium–tritium pellet injectors. In addition to these actuator constraints, the H-mode power threshold, divertor detachment, and the heat load on the divertor targets may apply limitations to ITER's operational space. In this work, Plasma Operation Contour (POPCON) plots that map the aforementioned constraints to the temperature-density space are used to investigate which constraints are most limiting towards accessing regimes with high fusion power output. The presented POPCON plots are based on a control-oriented core-edge model that couples the nonlinear density and energy response models for the core-plasma region with SOLPS4.3 parameterizations for conditions in the edge-plasma regions (scrape-off-layer and divertor). Using this control-oriented core-edge model, a nonlinear burn controller, which aims to regulate the plasma temperature and density in the core-plasma region, is constructed in this work. This controller is augmented with an online optimization scheme that governs the control references such that the plasma can be guided towards regimes with high fusion powers while protecting the divertor targets from dangerously high heat loads. A closed-loop simulation study illustrates the capability of this burn control scheme.
ITERの運転において、高い核融合出力を伴う望ましい燃焼プラズマ領域の範囲は、様々な運転制約によって制限されるであろう。これらの制約には、中性粒子ビーム入射装置、イオン及び電子サイクロトロン加熱装置、ガス噴射装置、重水素-トリチウムペレット入射装置など、ITERの様々な加熱・燃料供給アクチュエータの飽和が含まれる。これらのアクチュエータ制約に加えて、Hモード出力閾値、ダイバータのデタッチメント、およびダイバータターゲットへの熱負荷が、ITERの運転空間に制限を課す可能性がある。本研究では、上述の制約を温度-密度空間にマッピングするPOPCON（Plasma Operation Contour）プロットを用いて、高い核融合出力を有する領域へのアクセスを最も制限する要因がどれであるかを調査する。提示するPOPCONプロットは、コアプラズマ領域の非線形密度・エネルギー応答モデルと、エッジプラズマ領域（スクレイプオフ層及びダイバータ）の条件に対するSOLPS4.3パラメータ化とを結合する、制御指向のコア・エッジモデルに基づいている。この制御指向コア・エッジモデルを用いて、コアプラズマ領域のプラズマ温度と密度を調整することを目的とする非線形燃焼制御器を本研究で構築する。この制御器には、プラズマを高い核融合出力を有する領域へ導きつつ、ダイバータターゲットを危険なほど高い熱負荷から保護するように制御参照値を決定するオンライン最適化スキームが組み込まれている。閉ループシミュレーション研究により、この燃焼制御方式の能力が実証される。