在DIII-D托卡马克装置中，利用红外相机和氮气注入技术实现实时偏滤器热流控制的初步概念验证

《Fusion Engineering and Design》：Preliminary proof-of-concept of real-time divertor heat flux control from infrared cameras with nitrogen injection in the DIII-D tokamak

热通量实时反馈控制实验在DIII-D托卡马克实现，通过红外热成像与PID控制结合氮气注入调节等离子体 facing components热负荷，验证了基于诊断数据的动态调控可行性。

　　

Troy Pederson | Himank Anand | Charlie Lasnier | Lennard Ceelen | Jun Ren | Keith Erickson | Ben Penaflor | John Ferron

DIII-D国家聚变设施，通用原子能公司，邮政信箱85608，加利福尼亚州圣地亚哥，美国

摘要

在未来的托卡马克反应堆（如ITER和聚变试验装置FPP）中，对面向等离子体的组件（PFC）的热流进行实时反馈控制对于实现稳态运行至关重要。本文首次展示了使用红外热成像技术对DIII-D托卡马克中的热流进行实时估计，并通过杂质注入实现反馈控制的实际应用。DIII-D上的等离子体控制系统（PCS）的灵活架构使得这一新功能成为可能。PCS软件运行在一个网关计算机系统上，以及五个实时计算节点上。来自d-TACQ Solutions的低延迟流式数字化仪阵列连接到这些实时计算机，以收集和处理数据，并在等离子体放电期间向执行器发送指令。该系统处理来自托卡马克的信号输入输出，使PCS能够利用必要的诊断数据来进行实时控制。通过对“红外电视”（IRTV）相机拍摄的红外数据进行处理，并将其传输到一个自定义开发的用户数据报协议（UDP）服务器中，从而实现对热流的反馈控制。该服务器再将数据传递给一个新的PCS算法，该算法用于估计PFC的热流。通过向偏滤器注入氮气，比例-积分-微分（PID）控制器可以最小化热流参考值与实时估计值之间的误差。

引言

在像国际热核实验反应堆（ITER）和聚变试验装置（FPP）这样的高功率托卡马克中，保护面向等离子体的组件（PFC）免受热流的影响对于实现稳态运行是必要的[1]。然而，在输入功率较小且等离子体放电时间较短的实验性托卡马克中，这种保护措施是可选的。尽管如此，这些低功率托卡马克仍可用于开发和验证未来高功率托卡马克中保护PFC的方法。“在目前的设备中，大约30%至50%的总输入功率沉积在偏滤器靶板上，其表面温度可超过1000°C”[2]。在未来的设备中，温度将远高于此值。这些升高的温度将带来多重负面后果：“与当前机器（例如ITER及以后的机器）相比，未来托卡马克功率的增加将导致偏滤器板上的功率通量增加，从而引起表面熔化、汽化，并从原始偏滤器材料中产生次级等离子体”[1]。随着放电时间的延长和输入功率的增加，必须采取措施减轻热流的影响以实现基本的设备保护。

目前，像JET这样的托卡马克已经基于红外（IR）成像系统，通过测量表面温度来控制和监测PFC上的功率负载[3]。在JET中，通过终止等离子体流动来防止内壁受损[4]，但这不是聚变试验装置中理想的保护方法。同样，在WEST中，第一壁保护是通过降低射频功率来实现的[5]。这在发电厂中也可能不是一个理想的做法。EAST也进行了类似的工作，这些工作将与DIII-D实验中讨论的内容相关[6]。EAST获得的结果更符合发电厂的目标。EAST注入了50/50比例的氖气和氘气混合物。而本实验中使用了氮气。其他实验（如[7]和[8]）之前也尝试过间接控制热流[7]。其中[7]展示了通过反馈控制偏滤器处的通量膨胀，从而间接控制热流[8]；[8]则通过控制辐射前沿来间接控制热流。与[8]使用的多输入多输出（MIMO）控制器不同，本实验中使用的控制器是单输入单输出（SISO）类型的，这是为了清晰展示主要密度上的耦合效应。目前正在进行进一步的工作，以创建类似[8]的MIMO控制系统，因为SISO控制器存在局限性。

在DIII-D托卡马克上首次实现了利用红外相机针对偏滤器区域的实时反馈控制系统。该系统利用红外相机数据进行实时热流控制的成功对于ITER尤为重要，因为ITER的PFC有大量区域被36个摄像头覆盖[3]。上端口宽角观测系统（UWAVS）是ITER上的一个诊断系统，它能够以500–1000 Hz的帧率提供偏滤器区域的红外图像。UWAVS的主要功能是为设备保护和监测偏滤器处的气体种类提供亮度-温度分布[9]。像DIII-D上开发的基于UWAVS的系统是可行的，因为它的帧率比DIII-D上使用的系统更快。有人提出，理想的ITER系统应该能够实时响应不可预见事件，并始终监测各种等离子体条件[3]。DIII-D托卡马克的等离子体控制系统（PCS）提供了实施此类系统所需的所有基础设施。

这项工作之前已由Margo等人简要提及[10]，但本文将详细介绍这一控制器的实现细节。

实验设置和数据收集方法

在DIII-D中，红外相机对准容器内的感兴趣区域。“IRTV”相机从上端口观察下偏滤器。该IRTV相机工作在3–5 μm波段，使用三元素光学系统来观察偏滤器区域的60°环形截面[2]。 图1和图2描述了DIII-D中使用的相机系统的具体细节。这些图像最初来自Hill等人[11]。 相机捕获的每个像素代表...

结果/讨论

图6显示了实验结果：PID控制器在大部分激活时间内将热流保持在参考值的±0.1 MW/m2范围内，在整个激活窗口期间保持在±0.3 MW/m2范围内，直到放电开始结束。 在“激活窗口”时间段内（这是PCS中的一个可编程参数），会向气体阀门发送指令。在PCS的气体控制算法中，通过计算热流...

结论

未来的高功率聚变反应堆需要控制面向等离子体的组件的热流。在这项工作中，我们首次展示了使用红外成像测量和简化的PID控制（通过氮气注入）来实时估计偏滤器PFC的热流。DIII-D的等离子体控制系统为快速实施这一实验提供了必要的基础设施。

本实验中使用的方法的缺点包括...

资金来源

本工作得到了美国能源部的支持，项目编号为DE-FC02-04ER54698、DE-AC52-07NA27344和DE-AC02-09CH11466。

本出版物是荷兰科学研究组织（NWO）人才计划VIDI下的项目Balls to the Wall（项目编号：19695）的一部分，该项目部分由荷兰研究委员会（NWO）资助。DIFFER是NWO下属的一个研究所。

CRediT作者贡献声明

Troy Pederson：撰写——初稿、可视化、验证、软件、数据管理。 Himank Anand：验证、软件、方法论、资金获取、正式分析、概念化。 Charlie Lasnier：撰写——审稿与编辑、软件、资源管理、方法论、数据管理。 Lennard Ceelen：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、方法论、资金获取、正式分析、概念化。 Jun Ren：撰写——初稿、软件。