新たなフィードバックシステムで核融合反応の効率化が可能に(New feedback system can improve efficiency of fusion reactions)

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2022-06-09 プリンストンプラズマ物理研究所(PPPL)

From left: graduate student Ricardo Shousha, an image of solar flares, and graphs showing details of plasma discharges (Collage courtesy of Kiran Sudarsanan)

米国エネルギー省(DOE)のプリンストン・プラズマ物理研究所(PPPL)の科学者たちは、トカマクとして知られるドーナツ型の核融合施設の性能を向上させるために、磁場の使い方に改良を加えました。この改良された技術は、「エッジローカライズモード」(ELM)と呼ばれる不安定性による損傷から内部部品を保護し、トカマクを一時停止せずに長時間動作させることを可能にします。
プラズマをHモードにしたいが、Hモードはトカマクにダメージを与える不安定性につながる。そこで研究者たちは、2003年に発見された磁場を用いて不安定性を抑制する方法に着目した。磁場をかけると、粒子が境界を流れるようになり、不安定性が軽減される。しかし、プラズマが冷えてしまい、核融合反応の効率が悪くなるという副作用もある。研究チームは、磁石とフィードバックシステムを組み合わせることでこの問題に対処した。この組み合わせにより、ELMを抑制できる最も弱い磁場を決定し、かつ、Hモードの劣化を最小限に抑えることができるのだ。

<関連情報>

KSTARにおける長パルスELMの完全抑圧に向けたフィードバック適応型RMP ELMコントローラの設計と実験的実証 Design and experimental demonstration of feedback adaptive RMP ELM controller toward complete long pulse ELM suppression on KSTAR

R. Shousha, S. K. Kim,K. G. Erickson, S. H. Hahn, A. O. Nelson, S. M. Yang, J.-K. Park, J. Wai2, Y. M. Jeon,J. H. Lee, J. Jang, D. Seo, and E. Kolemen
Physics of Plasmas  Published: 24 March 2022
DOI:https://doi.org/10.1063/5.0081928

ABSTRACT

Operation of a fusion power plant requires robust edge localized mode (ELM) suppression simultaneously with high plasma performance. In this paper, we describe a novel feedback adaptive resonant magnetic perturbation (RMP) ELM controller designed to address this problem by achieving optimized ELM suppression through the advanced application of 3D RMPs. From real-time <?XML:NAMESPACE PREFIX = “[default] http://www.w3.org/1998/Math/MathML” NS = “http://www.w3.org/1998/Math/MathML” />Dα data, the controller is able to achieve robust ELM suppression while simultaneously minimizing the applied RMP in order to enhance plasma performance. In real-time, the instantaneous ELM-frequency is analyzed with an adaptive feedback algorithm to determine amplitudes and phases of RMP coil currents that will maximize plasma performance while maintaining ELM suppression. When applied through the KSTAR plasma control system in several experiments using n = 1 RMPs, robust ELM suppression is achieved and sustained in feedback while reducing the RMP strength to ∼65%∼65% of its initial value. Minimization of the RMP strength in this manner not only allows for operation of longer discharges due to a decrease in flux consumption but also allows for a strong recovery of up to ∼60%∼60% of βN throughout the ELM-free period.

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