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

Resumo Técnico: Controle em Tempo Real da Rampa de Subida da Corrente de Plasma via Injeção de Gás Neutro no ADITYA-U

Definição do Problema
Em tokamaks convencionais que utilizam ruptura Ohmica, a fase de rampa de subida da corrente de plasma é crítica para o alcance de descargas estáveis e de alta pressão. No entanto, esta fase é altamente suscetível a falhas devido a variáveis dinâmicas não quantificadas, particularmente a condição da parede da câmara e dos componentes voltados para o plasma de descargas anteriores. Estas condições influenciam o influxo de impurezas e a resistividade do plasma, fazendo com que a taxa de subida real da corrente de plasma ($dI_p/dt$) desvie dos perfis pré-programados.

No tokamak ADITYA-U, as bobinas do campo magnético de equilíbrio vertical primário ($B_V$) possuem uma constante de tempo ($\tau \approx 20$ ms) significativamente maior do que a escala de tempo característica do movimento da coluna de plasma ($\sim 1$ ms). Embora as bobinas de feedback rápido auxiliar (FFB) mitiguem isso, elas possuem autoridade de controle limitada. Se a taxa de subida da corrente exceder um limiar crítico (aproximadamente 6 kA/ms), o conjunto de fontes de alimentação para as bobinas de campo vertical principal e auxiliar torna-se insuficiente para manter o equilíbrio. Isso leva à perda de controle da posição horizontal, aumento das interações plasma-parede, influxo de impurezas e o gatilho de instabilidades Magnetohidrodinâmicas (MHD) (como modos de rasgamento/tearing modes) devido a perfis de densidade de corrente desfavoráveis. Consequentemente, as descargas frequentemente terminam em disrupções.

Metodologia
Para abordar estas limitações, os autores desenvolveram uma nova estratégia de controle ativo que suplementa os sistemas de feedback de $B_V$ existentes com a injeção de gás neutro em tempo real. A premissa central é que a injeção de uma quantidade controlada de gás combustível (hidrogênio) aumenta a densidade do plasma e o conteúdo de impurezas, elevando assim a resistividade do plasma. Este aumento na resistividade encurta o tempo de difusão resistiva, permitindo uma penetração de corrente mais profunda e aumentando a indutância interna, o que coletivamente suprime a taxa de subida da corrente.

A implementação baseia-se num controlador de hardware dedicado baseado em Processador de Sinais Digitais (DSP) (DCBH) com a seguinte lógica operacional:

1. Monitoramento: O DCBH monitora continuamente o sinal integrado de uma bobina de Rogowski para calcular a corrente de plasma ($I_p$) e sua derivada temporal ($dI_p/dt$) em intervalos de 5 ms.
2. Detecção de Limiar: Quando a taxa de subida de corrente calculada excede um limiar pré-definido (estabelecido experimentalmente em 3,2 kA/ms para testes de hardware e 4 kA/ms para experimentos de controle), o DCBH gera um pulso de Lógica Transistor-Transistor (TTL).
3. Atuação: Este pulso TTL aciona um gerador de funções, que ativa uma válvula piezoelétrica para injetar um pulso curto de gás hidrogênio (aproximadamente $10^{17}$ partículas neutras por pulso de 1 ms) na câmara de vácuo.
4. Ciclo de Feedback: O sistema opera em tempo real, intervindo apenas quando a taxa de subida se torna excessiva, visando manter o $dI_p/dt$ dentro da faixa gerenciável dos sistemas de controle de equilíbrio magnético.

Principais Resultados
O estudo apresenta validação experimental utilizando duas descargas consecutivas (#38970 e #38971) com configurações pré-descarga idênticas, diferenciando-se apenas pela ativação do sistema de injeção de gás (GI).

• Descarga Controlada (#38970): Quando a taxa de subida da corrente excedeu 4 kA/ms, o sistema GI acionou um sopro de gás de 2,5 ms. Esta intervenção reduziu com sucesso a taxa de subida para abaixo de 4 kA/ms. A descarga manteve uma concordância próxima entre o campo de equilíbrio vertical pré-programado e o requerido. Os diagnósticos mostraram um perfil de Raios-X Suaves (SXR) de pico com oscilações de dente de serra (sawtooth), indicativo de uma descarga de alta pressão e estável.
• Descarga Não Controlada (#38971): Sem a injeção de gás, a taxa de subida da corrente continuou a subir rapidamente, levando a um desvio significativo entre o $B_V$ predefinido e o requerido. Isso resultou em deslocamento externo do plasma, interações intensas de contorno (evidenciadas por picos na emissão da linha $C^{2+}$) e grande atividade MHD. O perfil SXR exibiu múltiplos picos característicos de choques térmicos (thermal quenches), e a qualidade da descarga deteriorou-se significativamente.

Testes de funcionalidade de hardware confirmaram que o DCBH rastreia precisamente a inclinação da corrente e gera sinais de gatilho no momento exato em que o limiar é ultrapassado, com um atraso demonstrado de apenas alguns milissegundos.

Significado e Alegações
O artigo afirma que a injeção de gás neutro em tempo real serve como uma estratégia de controle auxiliar eficaz para regular a rampa de subida da corrente de plasma em tokamaks onde os sistemas de feedback magnético possuem limitações intrínsecas de velocidade ou autoridade. O estudo demonstra que:

1. Mitigação de Disrupção: A injeção de gás evita efetivamente que a taxa de subida da corrente exceda as capacidades de controle das fontes de alimentação do campo vertical, evitando assim a perda de equilíbrio e subsequentes disrupções.
2. Estabilidade MHD: Ao moderar a taxa de subida, o esquema evita a formação de perfis de densidade de corrente ocos que desencadeiam modos de rasgamento e outras instabilidades MHD.
3. Papel Complementar: Este método não substitui o controle de feedback de alto desempenho, mas complementa-o ao garantir que a taxa de subida permaneça dentro dos "limites gerenciáveis" do hardware existente.

Os autores concluem que, embora a otimização da quantidade de gás seja necessária para evitar a sobreinjeção (que poderia desencadear disrupções do tipo injeção massiva de gás), a integração deste esquema de injeção de gás com sistemas de controle magnético de malha fechada oferece um caminho robusto para alcançar descargas de plasma estáveis e prolongadas em tokamaks convencionais como o ADITYA-U.