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

Résumé technique : Contrôle en temps réel de la montée en courant du plasma par injection de gaz neutre dans ADITYA-U

Énoncé du problème
Dans les tokamaks conventionnels utilisant la rupture ohmique, la phase de montée en courant du plasma est critique pour l'obtention de décharges stables et à haute pression. Cependant, cette phase est très sensible aux échecs en raison de variables dynamiques non quantifiées, particulièrement l'état de la paroi de la chambre à vide et des composants faisant face au plasma lors des décharges précédentes. Ces conditions influencent l'influx d'impuretés et la résistivité du plasma, provoquant une déviation entre le taux de montée réel du courant du plasma ($dI_p/dt$) et les profils préprogrammés.

Dans le tokamak ADITYA-U, les bobines du champ magnétique d'équilibre vertical primaire ($B_V$) possèdent une constante de temps ($\tau \approx 20$ ms) nettement supérieure à l'échelle de temps caractéristique du mouvement de la colonne de plasma ($\sim 1$ ms). Bien que les bobines de rétroaction rapide auxiliaire (FFB) atténuent ce phénomène, elles disposent d'une autorité de contrôle limitée. Si le taux de montée du courant dépasse un seuil critique (environ 6 kA/ms), les alimentations combinées des bobines de champ vertical principales et auxiliaires deviennent insuffisantes pour maintenir l'équilibre. Cela conduit à une perte de contrôle de la position horizontale, à des interactions plasma-paroi accrues, à un influx d'impuretés et au déclenchement d'instabilités magnétohydrodynamiques (MHD) (telles que les modes de déchirement ou tearing modes) dues à des profils de densité de courant défavorables. Par conséquent, les décharges se terminent souvent par des disruptions.

Méthodologie
Pour remédier à ces limitations, les auteurs ont développé une nouvelle stratégie de contrôle actif qui complète les systèmes de rétroaction $B_V$ existants par une injection de gaz neutre en temps réel. Le principe fondamental est que l'injection d'une quantité contrôlée de gaz combustible (hydrogène) augmente la densité du plasma et la teneur en impuretés, augmentant ainsi la résistivité du plasma. Cette augmentation de la résistivité raccourcit le temps de diffusion résistive, permettant une pénétration plus profonde du courant et augmentant l'inductance interne, ce qui réduit collectivement le taux de montée du courant.

La mise en œuvre repose sur un contrôleur matériel dédié basé sur un processeur de signal numérique (DSP) (DCBH) avec la logique opérationnelle suivante :

1. Surveillance : Le DCBH surveille en continu le signal intégré d'une bobine de Rogowski pour calculer le courant du plasma ($I_p$) et sa dérivée temporelle ($dI_p/dt$) sur des intervalles de 5 ms.
2. Détection de seuil : Lorsque le taux de montée du courant calculé dépasse un seuil prédéfini (fixé expérimentalement à 3,2 kA/ms pour les tests matériels et 4 kA/ms pour les expériences de contrôle), le DCBH génère une impulsion de logique transistor-transistor (TTL).
3. Actionnement : Cette impulsion TTL déclenche un générateur de fonctions, qui active une valve piézoélectrique pour injecter une courte impulsion de gaz hydrogène (environ $10^{17}$ particules neutres par impulsion de 1 ms) dans la chambre à vide.
4. Boucle de rétroaction : Le système fonctionne en temps réel, n'intervenant que lorsque le taux de montée devient excessif, afin de maintenir le $dI_p/dt$ dans la plage gérable des systèmes de contrôle d'équilibre magnétique.

Résultats clés
L'étude présente une validation expérimentale utilisant deux décharges consécutives (#38970 et #38971) avec des réglages de pré-décharge identiques, ne différant que par l'activation du système d'injection de gaz (GI).

• Décharge contrôlée (#38970) : Lorsque le taux de montée du courant dépassait 4 kA/ms, le système GI a déclenché un souffle de gaz de 2,5 ms. Cette intervention a réussi à réduire le taux de montée à une valeur inférieure à 4 kA/ms. La décharge a maintenu un accord étroit entre les champs de l'équilibre vertical requis et préprogrammés. Les diagnostics ont montré un profil de rayons X mous (SXR) avec un pic et des oscillations de type sawtooth, indicateurs d'une décharge stable à haute pression.
• Décharge non contrôlée (#38971) : Sans injection de gaz, le taux de montée du courant a continué de croître rapidement, entraînant un écart significatif entre le $B_V$ prédéfini et le $B_V$ requis. Cela a provoqué un déplacement externe du plasma, des interactions limites intenses (évidenciées par des pics d'émission de la raie $C^{2+}$) et une activité MHD importante. Le profil SXR présentait de multiples pics caractéristiques des extinctions thermiques (thermal quenches), et la qualité de la décharge s'est considérablement détériorée.

Les tests de fonctionnalité matérielle ont confirmé que le DCBH suit avec précision la pente du courant et génère des signaux de déclenchement au moment précis où le seuil est franchi, avec un délai démontré de seulement quelques millisecondes.

Signification et revendications
L'article affirme que l'injection de gaz neutre en temps réel sert de stratégie de contrôle auxiliaire efficace pour réguler la montée en courant du plasma dans les tokamaks où les systèmes de rétroaction magnétique présentent des limitations intrinsèques de vitesse ou d'autorité. L'étude démontre que :

1. Atténuation des disruptions : L'injection de gaz empêche efficacement le taux de montée du courant de dépasser les capacités de contrôle des alimentations des champs verticaux, évitant ainsi la perte d'équilibre et les disruptions consécutives.
2. Stabilité MHD : En modérant le taux de montée, ce schéma empêche la formation de profils de densité de courant creux qui déclenchent les modes de déchirement et d'autres instabilités MHD.
3. Rôle complémentaire : Cette méthode ne remplace pas le contrôle de rétroaction haute performance mais le complète en veillant à ce que le taux de montée reste dans les « limites gérables » du matériel existant.

Les auteurs concluent que, bien qu'une optimisation de la quantité de gaz soit nécessaire pour éviter une sur-injection (qui pourrait déclencher des disruptions de type injection massive de gaz), l'intégration de ce schéma d'injection de gaz avec les systèmes de contrôle magnétique en boucle fermée offre une voie robuste pour atteindre des décharges de plasma stables et prolongées dans les tokamaks conventionnels comme ADITYA-U.