Production of high-quality plasma discharges via real-time control of plasma current ramp-up using neutral gas injection in Aditya-U tokamak

Technische Zusammenfassung: Echtzeitsteuerung des Plasmaanstiegs mittels Neutralgasinjektion in ADITYA-U

Problemstellung
In konventionellen Tokamaks, die den ohmschen Durchbruch nutzen, ist die Phase des Plasmaanstiegs (Current Ramp-Up) entscheidend für das Erreichen stabiler Hochdruckentladungen. Diese Phase ist jedoch hochgradig anfällig für Ausfälle aufgrund nicht quantifizierter dynamischer Variablen, insbesondere des Zustands der Gefäßwand und der plasmaumschließenden Komponenten aus vorangegangenen Entladungen. Diese Bedingungen beeinflussen den Verunreinigungszustrom und den Plasmaresistivitätswert, was dazu führt, dass die tatsächliche Anstiegsrate des Plasmastroms ($dI_p/dt$) von den vorprogrammierten Profilen abweicht.

Im ADITYA-U Tokamak besitzen die Spulen des primären vertikalen Gleichgewichtsmagnetfeldes ($B_V$) eine Zeitkonstante ($\tau \approx 20$ ms), die signifikant größer ist als die charakteristische Zeitskala der Bewegung der Plasmasäule ($\sim 1$ ms). Während die Hilfsspulen für das schnelle Feedback (Fast Feedback Coils, FFB) dies zwar mildern, verfügen sie jedoch über eine begrenzte Steuerautorität. Wenn die Anstiegsrate des Stroms einen kritischen Schwellenwert (etwa 6 kA/ms) überschreitet, sind die kombinierten Stromversorgungen für die Haupt- und Hilfsspulen des vertikalen Feldes nicht mehr ausreichend, um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Dies führt zu einem Verlust der horizontalen Positionskontrolle, verstärkten Wechselwirkungen zwischen Plasma und Wand, Verunreinigungszustrom und der Auslösung von magnetohydrodynamischen (MHD) Instabilitäten (wie etwa Tearing-Moden) aufgrund ungünstiger Stromdichteprofile. Infolgedessen enden die Entladungen oft in Disruptionen.

Methodik
Um diese Einschränkungen zu adressieren, entwickelten die Autoren eine neuartige aktive Steuerungsstrategie, die die bestehenden $B_V$-Feedbacksysteme durch eine Echtzeit-Neutralgasinjektion ergänzt. Das Kernprinzip besteht darin, dass die Injektion einer kontrollierten Menge an Brenngas (Wasserstoff) die Plasmadichte und den Verunreinigungsgehalt erhöht, wodurch der Widerstand des Plasmas (Resistivität) steigt. Dieser erhöhte Widerstand verkürzt die resistive Diffusionszeit, was eine tiefere Strompenetration ermöglicht und die interne Induktivität erhöht, was wiederum die Anstiegsrate des Stroms unterdrückt.

Die Implementierung basiert auf einem dedizierten, auf einem Digitalen Signalprozessor (DSP) basierenden Hardware-Controller (DCBH) mit folgender Betriebslogik:

1. Überwachung: Der DCBH überwacht kontinuierlich das integrierte Signal einer Rogowski-Spule, um den Plasmastrom ($I_p$) und dessen zeitliche Ableitung ($dI_p/dt$) in Intervallen von 5 ms zu berechnen.
2. Schwellenwertdetektion: Wenn die berechnete Anstiegsrate des Stroms einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet (experimentell festgelegt auf 3,2 kA/ms für Hardwaretests und 4 kA/ms für Kontrollexperimente), erzeugt der DCBH einen Transistor-Transistor-Logik-Impuls (TTL).
3. Aktuierung: Dieser TTL-Impuls triggert einen Funktionsgenerator, der ein piezoelektrisches Ventil aktiviert, um einen kurzen Stoß Wasserstoffgas (ca. $10^{17}$ neutrale Teilchen pro 1 ms Impuls) in das Vakuumgefäß zu injizieren.
4. Feedback-Schleife: Das System arbeitet in Echtzeit und greift nur ein, wenn die Anstiegsrate zu hoch wird, mit dem Ziel, $dI_p/dt$ innerhalb des handhabbaren Bereichs der magnetischen Gleichgewichtssysteme zu halten.

Wichtigste Ergebnisse
Die Studie präsentiert die experimentelle Validierung unter Verwendung zweier aufeinanderfolgender Entladungen (#38970 und #38971) mit identischen Einstellungen vor der Entladung, die sich lediglich in der Aktivierung des Gasinjektionssystems (GI) unterscheiden.

• Kontrollierte Entladung (#38970): Als die Anstiegsrate des Stroms 4 kA/ms überschritt, löste das GI-System einen 2,5 ms langen Gasstoß aus. Diese Intervention reduzierte die Anstiegsrate erfolgreich auf unter 4 kA/ms. Die Entladung wies eine gute Übereinstimmung zwischen dem vorprogrammierten und dem erforderlichen vertikalen Gleichgewichtfeld auf. Die Diagnostik zeigte ein peaktiges Soft-X-Ray (SXR)-Profil mit Sawtooth-Oszillationen, was auf eine Hochdruck-, stabile Entladung hindeutet.
• Unkontrollierte Entladung (#38971): Ohne Gasinjektion stieg die Anstiegsrate des Stroms weiterhin rapide an, was zu einer signifikanten Abweichung zwischen dem voreingestellten und dem erforderlichen $B_V$ führte. Dies resultierte in einer Auswärtsverlagerung des Plasmas, intensiven Randwechselwirkungen (nachgewiesen durch Spitzen in der $C^{2+}$-Linienemission) und großer MHD-Aktivität. Das SXR-Profil zeigte mehrere Spitzen, die charakteristisch für Thermal Quenches sind, und die Qualität der Entladung verschlechterte sich erheblich.

Hardware-Funktionstests bestätigten, dass der DCBH die Stromsteigung präzise verfolgt und Triggersignale exakt in dem Moment erzeugt, in dem der Schwellenwert überschritten wird, mit einer nachgewiesenen Verzögerung von nur wenigen Millisekunden.

Bedeutung und Ansprüche
Das Paper behauptet, dass die Echtzeit-Neutralgasinjektion als effektive ergänzende Steuerungsstrategie zur Regulierung des Plasmaanstiegs in Tokamaks dient, bei denen die magnetischen Feedbacksysteme intrinsische Geschwindigkeits- oder Autoritätsbeschränkungen aufweisen. Die Studie zeigt auf, dass:

1. Disruptionsminderung: Die Gasinjektion effektiv verhindert, dass die Anstiegsrate des Stroms die Steuerkapazitäten der vertikalen Feldstromversorgungen überschreitet, wodurch der Verlust des Gleichgewichts und anschließende Disruptionen vermieden werden.
2. MHD-Stabilität: Durch die Moderation der Anstiegsrate verhindert das Schema die Bildung von hohlen Stromdichteprofilen, die Tearing-Moden und andere MHD-Instabilitäten auslösen.
3. Komplementäre Rolle: Diese Methode ersetzt nicht die Hochleistungs-Feedbacksteuerung, sondern ergänzt diese, indem sie sicherstellt, dass die Anstiegsrate innerhalb der „handhabbaren Grenzen“ der vorhandenen Hardware bleibt.

Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass, während eine Optimierung der Gasmenge notwendig ist, um eine Überinjektion (die Disruptionen ähnlich einer Massengasinjektion auslösen könnte) zu vermeiden, die Integration dieses Gasinjektionsschemas in geschlossene magnetische Regelkreise einen robusten Weg darstellt, um stabile, langanhaltende Plasmaentladungen in konventionellen Tokamaks wie ADITYA-U zu erreichen.