In this work, we compare physics-based dynamic exhaust models with frequency response measurements (FRMs) of the global particle dynamics in the Tokamak à Configuration Variable (TCV). The aim is to understand and model the experimental in-vessel dynamic response of plasma and neutrals to deuterium gas puff modulations with three models of varying fidelity: a 0D three chamber model (TCM); DIV1D, which models the edge plasma in 1D, and SOLEDGE3X for 2D-axisymmetric modeling. We find that the dynamic behavior of the global particle balance as observed in TCV can be reproduced by SOLEDGE3X and with specific parameter settings also by TCM and DIV1D, for FRMs between 3 and 40 Hz. For TCM and DIV1D, the coupling to a core reservoir and a realistic time for neutrals to ionize are found important to align with measurements. We argue from this comparison that for dynamics driven by particle kinetics, it is almost impossible to investigate one domain irrespective of others and that one should formally consider the coupled nature of the particle dynamics over domains. In TCV, this means that one cannot ignore that over 60% of the neutral ionization takes place inside the core confined region, for the scenarios considered in this study. The presented dynamic model validation should be detailed much further and extended to other devices to better understand exhaust dynamics, providing the essential building blocks required to design exhaust control systems in future fusion reactors.
本研究では、トカマク・ア・コンフィギュラシオン・バリアブル（TCV）における大域的粒子動力学の周波数応答測定（FRM）と、物理ベースの動的排気モデルを比較する。目的は、炉内におけるプラズマと中性粒子の重水素ガスパフ変調に対する実験的な動的応答を、忠実度の異なる3つのモデル、すなわち0次元三室モデル（TCM）、周辺プラズマを1次元でモデル化するDIV1D、そして2次元軸対称モデリングのためのSOLEDGE3Xを用いて理解し、モデル化することである。我々は、TCVで観測された大域的粒子バランスの動的挙動が、3〜40 HzのFRMに対して、SOLEDGE3Xによって再現でき、特定のパラメータ設定によりTCMおよびDIV1Dによっても再現できることを見出した。TCMとDIV1Dについては、コアリザーバーとの結合と、中性粒子が電離する現実的な時間が、測定値と一致させるために重要であることが分かった。我々はこの比較から、粒子運動論によって駆動される動的挙動においては、他の領域とは無関係に一つの領域だけを調査することはほぼ不可能であり、領域間の粒子動力学の結合的性質を正式に考慮すべきであると論じる。TCVにおいて、これは、本研究で検討したシナリオでは、中性粒子電離の60%以上がコア閉じ込め領域内部で起こることを無視できないことを意味する。提示した動的モデル検証は、さらに詳細化され、他の装置にも拡張されるべきであり、それにより排気動力学をより深く理解し、将来の核融合炉における排気制御システムの設計に必要な必須の構成要素を提供することができる。