Active control of resistive wall modes and error field compensation in reversed field pinch devices

QC 20251031

Abstract

Det avancerade tokamak scenariot, relevant för stationär drift använder en omgivande elektriskt ledande vägg för att stabilisera ideala MHD moder med hög tillväxttakt. Men, för plasmapulser som varar längre än väggens karakteristiska tid för genomträngning av magnetfältet, så ger den ändliga konduktiviteten i väggen upphov till resistiv-vägg instabilitet (”Resistive Wall Mode”). I frånvaro av plasmarotation så kan RWM stabiliseras med magnetisk återkoppling, och för denna metod har modell-baserade styralgoritmer potentiella fördelar. I detta arbete har en ”white-box” fysikalisk modell använts för att karaktärisera plasma-svaret för RWM. Plasma-svaret för RWM har validerats experimentellt vid reverserad-fält pinch (”Reversed-field pinch”) (”RFP”) experimentet EXTRAP T2R genom excitation av asymmetriska magnetiska störfält, som skapas av en matris av styrspolar. EXTRAP T2R är utrustad med en omfattande sensor-matris, som möjliggör upplösning och experimentell validering av ett brett spektrum av RWM. En modell-baserad optimal styrmetod för återkopplad stabilisering av multipla RWM har designats, implementerats och testats vid plasmaexperiment i EXTRAP T2R. En styralgoritm har designats för att möta de utmaningar som uppkommer i samband med styrsystem som består av matriser av diskreta styrspolar och sensorer i tokamak och RFP. Dessa system har begränsade möjligheter för multi-mod stabilisering på grund av koppling mellan moder via styrsystemet. Kopplingen uppkommer genom generation av övertoner i styrfältet, och från ”aliasing” av dessa i sensorsignalen. Detta resulterar i ett ”Multi-Input, Multi-Output” (”MIMO”) styrproblem. Detta MIMO styrproblem har med användning av Diskret Fourier Transform (DFT) delats upp ett antal mindre ”Single-Input, Multi-Output” (”SIMO”) styrproblem. En styralgoritm har designats som har förbättrade möjligheter, och som bland annat tillåter prioritering av en av flera övertoner för en given DFT komponent av styrströmmen. Plasmaexperiment vid EXTRAP T2R har demonstrerat dessa förbättrade möjligheter. Metoden som använder en modell-baserad linjärkvadratisk (”Linear-Quadratic”) (”LQ”) optimal styralgoritm har utvidgats till att inkludera fältfel (”Error field”) (”EF”) korrektion. Metoden bygger på störningsestimering och kompensering (”Disturbance estimation and rejection”). Styralgoritmen som har implementerats och testats vid EXTRAP T2R utför störningsestimering i realtid och EF korrektion parallellt med RWM stabilisering. EF korrektionen medför förbättrade egenskaper hos RFP plasmat, som lägre plasmaresistans och mindre fluktuationer i rotationsfrekvensen för resonanta ”tearing” moder. Rums- och tidsvariationen av estimerat EF ger information om källorna till EF i EXTRAP T2R anläggningen.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-372090