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

技術要約：ADITYA-Uにおける中性ガス注入によるプラズマ電流ランプアップのリアルタイム制御

問題提起
オーミック崩壊を利用する従来のトカマク型装置において、プラズマ電流のランプアップ（立ち上がり）フェーズは、安定した高圧放電を達成するために極めて重要である。しかし、このフェーズは、前回の放電による容器壁やプラズマ対向部品の状態といった、定量化されていない動的な変数に対して非常に脆弱である。これらの条件は、不純物の流入やプラズマ抵抗率に影響を与え、実際のプラズマ電流上昇率（$dI_p/dt$）を、事前にプログラムされたプロファイルから逸脱させる原因となる。

ADITYA-Uトカマクにおいては、主要な垂直平衡磁場（$B_V$）コイルの時定数（$\tau \approx 20$ ms）が、プラズマカラムの特性時間スケール（$\sim 1$ ms）よりも大幅に大きい。補助的な高速フィードバック（FFB）コイルがこれを緩和するものの、その制御能力には限界がある。もし電流上昇率が臨界閾値（約6 kA/ms）を超えると、メインおよび補助垂直磁場コイルの複合電源が平衡を維持するために不十分となる。これにより、水平位置制御の喪失、プラズマと壁の相互作用の増大、不純物流入、そして好ましくない電流密度プロファイルに起因する磁気流体力学（MHD）不安定性（テアリングモードなど）の誘発が引き起こされる。その結果、放電はしばしばディスラプション（崩壊）に至る。

手法
これらの制限に対処するため、著者らは、既存の$B_V$フィードバックシステムをリアルタイムの中性ガス注入によって補完する、新しい能動的制御戦略を開発した。この核心となる前提は、制御された量の燃料ガス（水素）を注入することで、プラズマ密度と不純物含有量を増加させ、プラズマ抵抗率を高めることにある。この抵抗率の上昇は抵抗性拡散時間を短縮し、より深い電流浸透と内部インダクタンスの増加を可能にし、これらが共同して電流上昇率を抑制する。

実装には、専用のデジタル信号プロセッサ（DSP）ベースのハードウェアコントローラ（DCBH）を用いた以下の動作ロジックが用いられる：

1. モニタリング： DCBHは、ローゲンコフコイルからの積分信号を継続的に監視し、5 ms間隔でプラズマ電流（$I_p$）とその時間微分（$dI_p/dt$）を算出する。
2. 閾値検出： 計算された電流上昇率が事前設定された閾値（ハードウェアテストでは実験的に3.2 kA/ms、制御実験では4 kA/msに設定）を超えた場合、DCBHはトランジスタ・トランジスタ論理（TTL）パルスを生成する。
3. アクチュエーション： このTTLパルスはファンクションジェネレータをトリガーし、圧電弁を起動して、真空容器内へ短時間の水素ガスパルス（約1 msのパルスあたり$10^{17}$個の中性粒子）を注入する。
4. フィードバックループ： システムはリアルタイムで作動し、電流上昇率が過度になった場合にのみ介入し、$dI_p/dt$を磁気平衡制御システムの管理可能な範囲内に維持することを目指す。

主な結果
本研究は、事前放電の設定は同一であるが、ガス注入（GI）システムの起動の有無のみが異なる、2つの連続した放電（#38970および#38971）を用いた実験的検証を提示している。

• 制御された放電 (#38970)： 電流ランプ率が4 kA/msを超えた際、GIシステムが2.5 msのガスパフを作動させた。この介入により、ランプ率は4 kA/ms未満へと正常に減少した。この放電は、事前プログラムされた垂直平衡磁場および要求される磁場との間で密接な一致を維持した。診断の結果、ソフトX線（SXR）プロファイルは鋸歯状波振動を伴うピーク状の形状を示しており、これは高圧で安定した放電であることを示唆している。
• 制御されていない放電 (#38971)： ガス注入を行わない場合、電流ランプ率は急速に上昇し続け、設定された$B_V$からの大幅な偏差を招いた。これにより、プラズマの外方への変位、激しい境界相互作用（$C^{2+}$輝線のスパイクによって確認）、および大規模なMHD活動が発生した。SXRプロファイルは熱崩壊（サーマルクエンチ）に特徴的な複数のスパイクを示し、放電の品質は著しく低下した。

ハードウェアの機能テストにより、DCBHが電流の傾きを正確に追跡し、閾値を横切った正確な瞬間にトリガー信号を生成すること、および数ミリ秒の遅延のみであることが確認された。

意義および主張
本論文は、リアルタイムの中性ガス注入が、磁気フィードバックシステムに固有の速度または権限の限界があるトカマクにおいて、プラズマ電流ランプアップを制御するための効果的な補助制御戦略として機能することを主張している。本研究は以下を実証している：

1. ディスラプションの軽減： ガス注入は、電流上昇率が垂直磁場電源の制御能力を超えないように効果的に制御し、平衡の喪失とそれに続くディスラプションを回避する。
2. MHD安定性： ランプ率を緩やかにすることで、テアリングモードやその他のMHD不安定性を引き起こす中空の電流密度プロファイルの形成を防ぐ。
3. 補完的役割： この手法は高性能なフィードバック制御に取って代わるものではなく、電流上昇率が既存ハードウェアの「管理可能な限界」内に留まることを保証することで、それを補完するものである。

著者らは、過剰注入（これが大規模なガス注入によるディスラプションを引き起こす可能性がある）を避けるためのガスの量の最適化が必要であるものの、このガス注入スキームを閉ループ磁気制御システムと統合することは、ADITYA-Uのような従来のトカマクにおいて、安定した長時間プラズマ放電を実現するための堅牢な経路を提供すると結論付けている。