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

Technische Samenvatting: Real-time controle van de plasma-stroom opbouw via neutrale gasinjectie in ADITYA-U

Probleemstelling
In conventionele tokamaks die gebruikmaken van Ohmse doorslag, is de fase van de plasma-stroom opbouw (ramp-up) cruciaal voor het bereiken van stabiele, hoogdruk-ontladingen. Deze fase is echter zeer gevoelig voor falen door ongekwantificeerde dynamische variabelen, met name de conditie van de wand van het vacuümvat en de plasma-omringende componenten van voorgaande ontladingen. Deze condities beïnvloeden de onzuiverheidsinstroom en de plasma-weerstand, waardoor de werkelijke stijgsnelheid van de plasmastroom ($dI_p/dt$) afwijkt van de vooraf geprogrammeerde profielen.

In de ADITYA-U tokamak bezitten de primaire verticale evenwichtsmagnetische veldcoils ($B_V$) een tijdconstante ($\tau \approx 20$ ms) die aanzienlijk groter is dan de karakteristieke tijdschaal van de beweging van de plasmastroom ($\sim 1$ ms). Hoewel hulp-fast feedback (FFB) coils dit verzachten, hebben zij een beperkte controle-autoriteit. Als de stijgsnelheid van de stroom de kritische drempel (ongeveer 6 kA/ms) overschrijdt, worden de gecombineerde voedingen voor de hoofd- en hulp-verticale veldcoils ontoereikend om het evenwicht te handhaven. Dit leidt tot verlies van horizontale positiecontrole, verhoogde interacties tussen plasma en wand, onzuiverheidsinstroom en het triggeren van Magnetohydrodynamische (MHD) instabiliteiten (zoals tearing modes) als gevolg van ongunstige stroomdichtheidsprofielen. Bij consequent leiden deze ontladingen tot verstoringen (disruptions).

Methodologie
Om deze beperkingen aan te pakken, hebben de auteurs een nieuwe actieve controlestrategie ontwikkeld die de bestaande $B_V$-feedbacksystemen aanvult met real-time neutrale gasinjectie. De kern van het principe is dat het injecteren van een gecontroleerde hoeveelheid brandstofgas (waterstof) de plasmadichtheid en het gehalte aan onzuiverheden verhoogt, waardoor de plasma-weerstand toeneemt. Deze verhoogde weerstand verkort de resistente diffusietijd, waardoor een diepere stroompenetratie mogelijk wordt en de interne inductie toeneemt, wat gezamenlijk de stijgsnelheid van de stroom onderdrukt.

De implementatie berust op een speciale Digital Signal Processor (DSP)-gebaseerde hardwarecontroller (DCBH) met de volgende operationele logica:

1. Monitoring: De DCBH monitort continu het geïntegreerde signaal van een Rogowski-spoel om de plasmastroom ($I_p$) en de tijdsafgeleide daarvan ($dI_p/dt$) over intervallen van 5 ms te berekenen.
2. Drempeldetectie: Wanneer de berekende stijgsnelheid van de stroom een vooraf ingestelde drempel overschrijdt (experimenteel ingesteld op 3,2 kA/ms voor hardwaretests en 4 kA/ms voor controle-experimenten), genereert de DCBH een Transistor-Transistor Logic (TTL) puls.
3. Actuatie: Deze TTL-puls activeert een functiegenerator, die een piëzo-elektrische klep activeert om een korte puls van waterstofgas (ongeveer $10^{17}$ neutrale deeltjes per 1 ms puls) in het vacuümvat te injecteren.
4. Feedbacklus: Het systeem werkt in real-time en grijpt alleen in wanneer de stijgsnelheid excessief wordt, met als doel de $dI_p/dt$ binnen het beheersbare bereik van de magnetische evenwichtscontrolesystemen te houden.

Belangrijkste Resultaten
De studie presenteert experimentele validatie met behulp van twee opeenvolgende ontladingen (#38970 en #38971) met identieke instellingen voorafgaand aan de ontlading, waarbij alleen de activatie van het gasinjectie (GI) systeem verschilt.

• Gecontroleerde ontlading (#38970): Wanneer de stijgsnelheid van de stroom de 4 kA/ms overschreed, activeerde het GI-systeem een gaspuls van 2,5 ms. Deze interventie slaagde erin de stijgsnelheid te reduceren tot onder de 4 kA/ms. De ontlading behield een nauwe overeenstemming tussen het vooraf geprogrammeerde en het vereiste verticale evenwichtveld. Diagnostiek toonde een gepiekte Soft X-ray (SXR) profiel met sawtooth-oscillaties, wat duidt op een hoogdruk, stabiele ontlading.
• Ongecontroleerde ontlading (#38971): Zonder gasinjectie bleef de stijgsnelheid van de stroom snel toenemen, wat leidde tot een significante afwijking tussen het vooraf ingestelde en het vereiste $B_V$. Dit resulteerde in een uitwaartse verplaatsing van het plasma, intense randinteracties (bewezen door pieken in de $C^{2+}$-lijnemissie) en grote MHD-activiteit. Het SXR-profiel vertoonde meerdere pieken die karakteristiek zijn voor thermische quenches, en de kwaliteit van de ontlading verslechterde aanzienlijk.

Hardwarefunctionaliteitstests bevestigden dat de DCBH de stroomhelling nauwkeurig volgt en trigger-signalen genereert op het exacte moment dat de drempel wordt overschreden, met een aangetoonde vertraging van slechts enkele milliseconden.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat real-time neutrale gasinjectie dient als een effectieve aanvullende controlestrategie voor het reguleren van de plasma-stroom opbouw in tokamaks waar magnetische feedbacksystemen intrinsieke snelheid- of autoriteitsbeperkingen hebben. De studie demonstreert dat:

1. Disruptie-mitigatie: Gasinjectie voorkomt effectief dat de stijgsnelheid van de stroom de controlecapaciteiten van de verticale veldvoedingen overschrijdt, waardoor het verlies van evenwicht en daaropvolgende verstoringen worden voorkomen.
2. MHD-stabiliteit: Door de stijgsnelheid te matigen, voorkomt het schema de vorming van holle stroomdichtheidsprofielen die tearing modes en andere MHD-instabiliteiten triggeren.
3. Complementaire Rol: Deze methode vervangt de high-performance feedbackcontrole niet, maar vult deze aan door te zorgen dat de stijgsnelheid binnen de "beheersbare limieten" van de bestaande hardware blijft.

De auteurs concluderen dat hoewel optimalisatie van de gashoeveelheid noodzakelijk is om overinjectie (wat disrupties zoals bij massale gasinjectie zou kunnen triggeren) te voorkomen, de integratie van dit gasinjectieschema met closed-loop magnetische controlesystemen een robuust pad biedt naar het bereiken van stabiele, langdurige plasma-ontladingen in conventionele tokamaks zoals ADITYA-U.