Magnetic Control of Tokamak Plasmas

مشکل محدود کردن پلاسما، با چگالی و دمای به اندازه کافی بالا، برای قابل استفاده شدن همجوشی هسته‌ای به عنوان شکلی از تولید برق بسیار مهم است. Tokamaks - دستگاه‌هایی با هندسه حلقوی - از جمله محبوب‌ترین گزینه‌هایی هستند که می‌توان با آن‌ها به چنین محدودیتی دست یافت. یک توکامک پلاسما را از محیط اطرافش با استفاده از یک میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط چندین سیم پیچ که در اطراف پلاسما پخش شده اند جدا می کند.

موضوع اصلی کنترل مغناطیسی پلاسماهای توکامک طراحی سیستم های کنترل فیدبک که پایداری تعادل پلاسما را در داخل یک توکامک و تنظیم موقعیت و شکل پلاسما در طول پالس های پلاسما تضمین می کند. جزئیات مدلسازی و کنترل ارائه شده است که به افراد غیرمتخصص اجازه می دهد تا مشکل کنترل را درک کنند. با شروع از معادلات مغناطیس هیدرودینامیک، تمام مراحل مورد نیاز برای استخراج مدل‌های فضای حالت پلاسما برشمرده می‌شوند. اصول اولیه الکترومغناطیسی اغلب یادآوری می شود. سپس مشکل کنترل با کنترل جریان و موقعیت - عمودی و شعاعی - و پیشرفت به سمت کنترل شکل چالش‌برانگیز توصیف می‌شود. راه‌حل‌های پیشنهادی از PID‌های ساده گرفته تا کنترل‌کننده‌های MIMO پیچیده‌تر متفاوت است.

هرجا که ممکن است، موضوعات مختلف با نتایج به‌دست‌آمده از طریق مشارکت نویسندگان در آزمایش‌ها با توکاماک‌های واقعی گرد می‌شوند. جزئیات ریاضی که خارج از استان عادی مهندسین کنترل هستند در یک پیوست برای خواننده علاقه مند ارائه شده است.

ایده های فرموله شده در این مونوگراف کمک عملی زیادی به کنترل مهندسان، محققان دانشگاهی و دانشجویان تحصیلات تکمیلی خواهد کرد. به طور مستقیم با مشکلات مربوط به کنترل همجوشی هسته ای. آنها همچنین محققان کنترلی را که به طور کلی به کاربردهای پیشرفته این رشته علاقه مند هستند تحریک خواهند کرد.

The problem of confining a plasma, with sufficiently high density and temperature, is of crucial importance if nuclear fusion is to be made usable as a form of power generation. Tokamaks – devices with a toroidal geometry – are among the most popular candidates by which such confinement can be achieved. A tokamak separates a plasma from its surroundings by means of a magnetic field generated by several coils distributed around the plasma.

The main topic of Magnetic Control of Tokamak Plasmas is the design of feedback control systems guaranteeing the stability of plasma equilibrium inside a tokamak and the regulation of the plasma position and shape during plasma pulses. Modelling and control details are presented, allowing the non-expert to understand the control problem. Starting from equations of magneto-hydro-dynamics, all the steps needed for the derivation of plasma state-space models are enumerated. The basics of electromagnetics are frequently recalled. The control problem is then described beginning with control of current and position – vertical and radial – and progressing to the more challenging shape control. The solutions proposed vary from simple PIDs to more sophisticated MIMO controllers.

Wherever possible, the various topics are rounded out with results obtained through the authors’ contributions to experiments with actual tokamaks. Mathematical details which are outside the normal province of control engineers are presented in an appendix for the interested reader.

The ideas formulated in this monograph will be of great practical help to control engineers, academic researchers and graduate students working directly with problems related to the control of nuclear fusion. They will also stimulate control researchers interested more generally in the advanced applications of the discipline.