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

Sintesi Tecnica: Controllo in Tempo Reale della Fase di Ramp-Up della Corrente di Plasma tramite Iniezione di Gas Neutro in ADITYA-U

Definizione del Problema
Nei tokamak convenzionali che utilizzano il breakdown Ohmic, la fase di ramp-up della corrente di plasma è critica per il raggiungimento di scariche stabili ad alta pressione. Tuttavia, questa fase è altamente suscettibile al fallimento a causa di variabili dinamiche non quantificate, in particolare le condizioni della parete del contenitore e dei componenti rivolti al plasma derivanti dalle scariche precedenti. Tali condizioni influenzano l'afflusso di impurità e la resistività del plasma, causando una deviazione della velocità di crescita effettiva della corrente di plasma ($dI_p/dt$) rispetto ai profili pre-programmati.

Nel tokamak ADITYA-U, le bobine del campo magnetico di equilibrio verticale primario ($B_V$) possiedono una costante di tempo ($\tau \approx 20$ ms) significativamente maggiore della scala temporale caratteristica del movimento della colonna di plasma ($\sim 1$ ms). Sebbene le bobine di feedback veloce ausiliarie (FFB) mitigino questo effetto, esse hanno un'autorità di controllo limitata. Se la velocità di crescita della corrente supera una soglia critica (circa 6 kA/ms), l'insieme degli alimentatori per le bobine del campo verticale principale e ausiliario diventa insufficiente per mantenere l'equilibrio. Ciò porta alla perdita del controllo della posizione orizzontale, a un aumento delle interazioni plasma-parete, all'afflusso di impurità e all'innesco di instabilità magnetoidrodinamiche (MHD) (come i modi di tearing) a causa di profili di densità di corrente sfavorevoli. Di conseguenza, le scariche spesso terminano in disruption.

Metodologia
Per affrontare tali limitazioni, gli autori hanno sviluppato una nuova strategia di controllo attivo che integra i sistemi di feedback $B_V$ esistenti con l'iniezione di gas neutro in tempo reale. Il presupposto fondamentale è che l'iniezione di una quantità controllata di gas combustibile (idrogeno) aumenti la densità del plasma e il contenuto di impurità, aumentando così la resistività del plasma. Questa maggiore resistività accorcia il tempo di diffusione resistiva, consentendo una penetrazione più profonda della corrente e aumentando l'induttanza interna, fattori che collettivamente sopprimono la velocità di crescita della corrente.

L'implementazione si basa su un controllore hardware dedicato basato su Digital Signal Processor (DSP) (DCBH) con la seguente logica operativa:

1. Monitoraggio: Il DCBH monitora continuamente il segnale integrato da una bobina di Rogowski per calcolare la corrente di plasma ($I_p$) e la sua derivata temporale ($dI_p/dt$) su intervalli di 5 ms.
2. Rilevamento della Soglia: Quando la velocità di crescita della corrente calcolata supera una soglia prestabilata (impostata sperimentalmente a 3,2 kA/ms per i test hardware e 4 kA/ms per gli esperimenti di controllo), il DCBH genera un impulso Transistor-Transistor Logic (TTL).
3. Attuazione: Questo impulso TTL attiva un generatore di funzioni, che aziona una valvola piezoelettrica per iniettare un breve impulso di gas idrogeno (circa $10^{17}$ particelle neutre per un impulso di 1 ms) all'interno del contenimento del vuoto.
4. Ciclo di Feedback: Il sistema opera in tempo reale, intervenendo solo quando la velocità di crescita diventa eccessiva, con l'obiettivo di mantenere $dI_p/dt$ entro l'intervallo gestibile dai sistemi di controllo dell'equilibrio magnetico.

Risultati Chiave
Lo studio presenta la validazione sperimentale utilizzando due scariche consecutive (#38970 e #38971) con impostazioni pre-scarica identiche, differenziate solo dall'attivazione del sistema di iniezione di gas (GI).

• Scarica Controllata (#38970): Quando la velocità di crescita della corrente ha superato i 4 kA/ms, il sistema GI ha attivato un puff di gas di 2,5 ms. Questo intervento ha ridotto con successo la velocità di crescita al di sotto dei 4 kA/ms. La scarica ha mantenuto un accordo stretto tra i campi di equilibrio verticale pre-programmati e quelli richiesti. Le diagnostiche hanno mostrato un profilo di raggi X molli (SXR) piccato con oscillazioni a dente di sega, indicativo di una scarica ad alta pressione e stabile.
• Scarica Non Controllata (#38971): Senza l'iniezione di gas, la velocità di crescita della corrente ha continuato a salire rapidamente, portando a una significativa deviazione tra il valore preimpostato e il $B_V$ richiesto. Ciò ha causato uno spostamento esterno del plasma, intense interazioni al bordo (evidenziate da picchi nell'emissione della linea $C^{2+}$) e una grande attività MHD. Il profilo SXR ha mostrato molteplici picchi caratteristici dei quench termici, e la qualità della scarica è degradata significativamente.

I test di funzionalità dell'hardware hanno confermato che il DCBH traccia accuratamente la pendenza della corrente e genera segnali di trigger nel momento preciso in cui la soglia viene superata, con un ritardo dimostrato di soli pochi millisecondi.

Significato e Rivendicazioni
Il documento afferma che l'iniezione di gas neutro in tempo reale funge da efficace strategia di controllo ausiliaria per regolare la fase di ramp-up della corrente nei tokamak in cui i sistemi di feedback magnetico presentano limiti intrinseci di velocità o di autorità. Lo studio dimostra che:

1. Mitigazione delle Disruption: L'iniezione di gas mitiga efficacemente il superamento della velocità di crescita della corrente rispetto alle capacità di controllo degli alimentatori del campo verticale, evitando la perdita di equilibrio e le conseguenti disruption.
2. Stabilità MHD: Moderando la velocità di crescita, lo schema previene la formazione di profili di densità di corrente cavi che innescano modi di tearing e altre instabilità MHD.
3. Ruolo Complementare: Questo metodo non sostituisce il controllo di feedback ad alte prestazioni, ma lo integra assicurando che la velocità di crescita rimanga entro i "limiti gestibili" dell'hardware esistente.

Gli autori concludono che, sebbene sia necessaria l'ottimizzazione della quantità di gas per evitare l'sovra-iniezione (che potrebbe innescare disruption simili a quelle da iniezione massiccia di gas), l'integrazione di questo schema di iniezione di gas con i sistemi di controllo magnetico a ciclo chiuso offre una via robusta per raggiungere scariche di plasma stabili e prolungate in tokamak convenzionali come ADITYA-U.