Routine reaction to approaching disruptions in tokamaks is currently largely limited to machine protection by mitigating an ongoing disruption, which remains a basic requirement for ITER and DEMO [1]. Nevertheless, a mitigated disruption still generates stress to the device. Additionally, in future fusion devices, high-performance discharge time itself will be very valuable. Instead of reacting only on generic features, occurring shortly before the disruption, the ultimate goal is to actively avoid approaching disruptions at an early stage, sustain the discharges whenever possible and restrict mitigated disruptions to major failures. Knowledge of the most relevant root causes and the corresponding chain of events leading to disruption, the disruption path, is a prerequisite. For each disruption path, physics-based sensors and adequate actuators must be defined and their limitations considered. Early reaction facilitates the efficiency of the actuators and enhances the probability of a full recovery. Thus, sensors that detect potential disruptions in time are to be identified. Once the entrance into a disruption path is detected, we propose a hierarchy of actions consisting of (I) recovery of the discharge to full performance or at least continuation with a less disruption-prone backup scenario, (II) complete avoidance of disruption to sustain the discharge or at least delay it for a controlled termination and, (III), only as last resort, a disruption mitigation. Based on the understanding of disruption paths, a hierarchical and path-specific handling strategy must be developed. Such schemes, testable in present devices, could serve as guidelines for ITER and DEMO operation. For some disruption paths, experiments have been performed at ASDEX Upgrade and TCV. Disruptions were provoked in TCV by impurity injection into ELMy H-mode discharges and in ASDEX Upgrade by forcing a density limit in H-mode discharges. The new approach proposed in this paper is discussed for these cases. For the H-mode density limit sensors used so far react too late. Thus a plasma-state boundary is proposed, that can serve as an adequate early sensor for avoiding density limit disruptions in H-modes and for recovery to full performance.
トカマクにおける接近する擾乱への日常的な対応は、現在のところ主として、進行中の擾乱を緩和することによる機器保護に限られており、これはITERやDEMOにとっての基本的な要件であり続けている[1]。それにもかかわらず、緩和された擾乱であっても装置に応力を生じさせる。さらに、将来の核融合装置においては、高性能放電時間そのものが非常に貴重なものとなる。擾乱の直前に生じる一般的な特徴量に反応するのではなく、究極の目標は、擾乱を早期段階で能動的に回避し、可能な限り放電を維持し、緩和を主要な故障に限定することである。そのためには、擾乱に至る最も関連性の高い根本原因と、それに対応する事象連鎖、すなわち擾乱経路の知識が前提条件となる。各擾乱経路に対して、物理に基づいたセンサーと適切なアクチュエータを定義し、それらの限界を考慮しなければならない。早期の反応はアクチュエータの効率を高め、完全な回復の可能性を向上させる。したがって、擾乱の可能性を時間内に検出できるセンサーを特定する必要がある。擾乱経路への進入が検出されたならば、我々は以下の階層的な行動を提案する：(I) 放電を完全性能へ回復させる、あるいは少なくとも擾乱の発生しにくいバックアップシナリオで継続する、(II) 擾乱を完全に回避し、放電を維持する、あるいは少なくとも制御された終了まで遅延させる、(III) 最後の手段としてのみ、擾乱を緩和する。擾乱経路の理解に基づき、階層的かつ経路固有の対処戦略を開発しなければならない。このような手法は、現在の装置で試験可能であり、ITERやDEMOの運転に対する指針となり得る。いくつかの擾乱経路については、ASDEX UpgradeとTCVにおいて実験が実施されている。TCVではELMy Hモード放電への不純物入射により擾乱を誘発し、ASDEX UpgradeではHモード放電における密度限界を強制することにより擾乱を誘発した。本論文で提案する新しいアプローチをこれらのケースについて考察する。Hモード密度限界については、これまで使用されてきたセンサーは反応が遅すぎる。そこで、Hモードにおける密度限界擾乱の回避と完全性能への回復のための適切な早期センサーとして機能し得るプラズマ状態境界を提案する。