JPH06109883A

JPH06109883A - 核融合装置の制御方法及び装置

Info

Publication number: JPH06109883A
Application number: JP4254733A
Authority: JP
Inventors: Hisahide Nakayama; 尚英中山; Katsuji Murai; 勝治村井
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Information and Control Systems Inc
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Information and Control Systems Inc
Priority date: 1992-09-24
Filing date: 1992-09-24
Publication date: 1994-04-22

Abstract

(57)【要約】【目的】プラズマ状態変化によって真空容器第１壁へ
の入熱量が変化するような条件においても、核融合装置
運転を安全に継続できるようにする。【構成】真空容器２内に形成されるプラズマ１のプラズ
マ電流及び幾何学的プラズマ位置形状値を検出する磁気
プローブ８と、検出されたプラズマ電流及び幾何学的プ
ラズマ位置形状値に基づいて真空容器２の周囲に配置さ
れたトロイダルコイル３及びポロイダルコイル４により
形成されるトロイダル磁場及びポロイダル磁場を制御し
てプラズマ閉込めを行う制御部６と、プラズマからの真
空容器第１壁への入熱量を測定する温度検出器５ととを
備え、制御部６を、測定された入熱量をプラズマの幾何
学的な位置形状偏差量に変換する変換部と、変換で得ら
れた位置形状偏差量を基に前記検出された幾何学的なプ
ラズマ位置形状値を補正する補正手段とを含んで構成し
た核融合装置の制御装置。【効果】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、核融合装置の制御方法
及び装置に係り、特にハイブリッド方式によるポロイダ
ルコイルを有する核融合装置に好適な制御方法及び装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】トカマク型装置は、核融合装置の主流を
占める方式である。その特徴は、環状のトロイダル磁場
と、それに垂直なポロイダル磁場によってプラズマの平
衡をとりつつ、プラズマを真空容器内に閉込めることに
ある。プラズマには数ＭＡ以上の大電流（プラズマ電
流）が流れており、ポロイダル磁場の種々の成分によ
り、プラズマ電流そのものとプラズマの位置形状が制御
される。

【０００３】プラズマ電流とプラズマ位置形状とを制御
する方式としては、実用的な核融合炉の構造的制約に対
応し、磁気的あるいは電源容量の観点からも優れた性能
を有するハイブリッドポロイダルコイル方式が検討され
ている（電気学会論文誌「ハイブリッド・ポロイダル磁
界によるトカマクの電流平衡」嶋田、５７−Ａ２６、特
開昭６４−６７８９「プラズマ位置形状制御方法」）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】核融合プラズマでは、
プラズマ温度が１億度を大きく越えるため真空容器のプ
ラズマ対向面（第１壁）に対して、プラズマを常に一定
の状態に保ち、第１壁への入熱量が規定値を越え、壁材
料の溶解などが発生することのないよう、プラズマ電
流、反応度、プラズマの幾何学的位置形状などを制御す
る必要がある。

【０００５】しかし、従来の制御方式では、プラズマ電
流や位置形状の定値制御を指向しており、第１壁への入
熱量の制御は考慮されていなかった。これはプラズマの
位置形状と真空容器第１壁との幾何学的な関係を一定に
保てば、同時に熱的な平衡状態を保つことができるとい
う仮定に基づいている。しかし、実用規模の核融合装置
ではプラズマの幾何学的な位置形状を第１壁に対して一
定に保ったとしても、第１壁から見て熱的な平衡状態が
崩れ、第１壁の局部的な過熱による損傷が発生する可能
性がある。このように局部的な過熱が起る原因として次
のようなことが考えられる。

【０００６】・プラズマの出力上昇（β値上昇）に伴
い、最外殻磁気面が第１壁に対し幾何学的に一定の状態
に保持されていても、核融合反応が強く進んでいるプラ
ズマ中心すなわち熱出力が大きい部分の位置が幾何学的
中心からずれる磁気軸シフトの効果。

【０００７】・プラズマからの高エネルギーの中性粒子
が第１壁からたたき出した不純物がプラズマに戻るリサ
イクリング効果が、第１壁の状態によって局所的に異る
ため、プラズマの出力（発熱）も局部的に異ること。

【０００８】・プラズマからの反応生成物を排気するダ
イバータの状態（ダイバータプレートの表面状態等）の
変化により排気効率が変り、プラズマの出力が変化する
こと。

【０００９】従来はこのような第１壁の過熱が発生した
場合は、プラズマ電流を下げることや動作ガス・ペレッ
トの注入量を増やす等、プラズマ停止を行うことが提案
されてきた。しかしこれらの方法では核融合反応が停止
してしまうため、再度の装置起動に多大なエネルギーを
投入せざるを得ない。

【００１０】本発明の目的は、プラズマ状態変化によっ
て真空容器第１壁への入熱量が変化するような条件にお
いても、真空容器第１壁への入熱量を制御することによ
り、プラズマを停止することなく装置運転を継続するに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明においては、プラズマから真空容器第１壁へ
の入熱量を測定する温度検出手段と、温度検出器信号を
該当するプラズマパラメータ（プラズマの幾何学的位置
あるいはダイバータＸ点の幾何学的位置あるいはそれら
の正常運転状態での値に対する偏差量）に変換する変換
手段と、該変換手段によって得られた結果を用いて、第
１壁への入熱量と直接的に関係することなく検出された
プラズマ位置形状制御偏差を補正する補正手段と、補正
の結果得られたデータを用いてプラズマ位置形状制御演
算を実行する制御演算部とを設けた。

【００１２】

【作用】温度検出手段は、真空容器第１壁に設置され、
核融合反応プラズマからの中性子束や反応生成物（Ｈｅ
ガス）によって熱エネルギーを与えられる。正常運転状
態では、第１壁では、熱エネルギーを核融合装置より取
出す手段（一般にはブランケットと呼ばれ第１壁に設置
され、液体ナトリウム等で冷却される）により、熱的に
平衡状態が保たれている。ここでプラズマに対する外乱
等により、プラズマの状態が変化し、プラズマから第１
壁への熱流束が変動すると、熱的な平衡状態が崩れ、温
度検出手段の出力信号が変化する。この変化は、あくま
で熱的な変化であり、プラズマの幾何学的な位置や形状
が一定であっても核融合反応の変化やプラズマ中心部の
変化による熱出力の変化によって引き起こされる。核融
合装置の性能を維持し、健全性を保つために、次のよう
に熱的条件を加味した制御が行われる。

【００１３】温度検出手段は、プラズマの熱的な位置形
状情報を与える。温度検出手段からの温度検出出力信号
は、変換手段によりプラズマの幾何学的な位置形状情報
に変換される。一方、第１壁への入熱量が考慮されてい
ない従来手法による幾何学的なプラズマ位置形状制御ル
ープが制御装置内に構築されており、変換手段で温度検
出手段の出力信号から変換によって得られた位置形状情
報は、幾何学的なプラズマ位置形状制御ループに偏差演
算の補正信号として加えられ、熱的平衡状態を考慮した
プラズマ位置形状制御が行われる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図により説明する。
図１に、本発明の実施例である核融合装置の要部構成を
示す。図示の核融合装置は全体として環状の構造をして
おり、プラズマ１が磁場により閉込められる環状の真空
容器２と、プラズマ１を閉込めるためのトロイダル磁場
を形成するトロイダルコイル３とポロイダル磁場を形成
するポロイダルコイル４と、真空容器２内面の上側と下
側に設置された温度検出器５と、同じく真空容器２の内
面に分散配置されプラズマ１の幾何学的なパラメータを
とらえる複数個の磁気プローブ８と、これら温度検出器
５と磁気プローブ８に接続された制御装置６と、制御装
置６に接続されたポロイダルコイル電源７とを含んで構
成されている。真空容器２は、その長手方向に垂直な各
断面の中心点を含む平面が水平になるように配置されて
いる。

【００１５】トロイダル磁場はプラズマ電流の方向と平
行な成分を持つ。ポロイダル磁場はプラズマ電流の方向
と垂直な成分を持ち、全体としてプラズマ１を巻く形を
成す。ポロイダル磁場は、複数組、本実施例では上下１
対が１組となり、全部で７組のポロイダルコイル４によ
って生成されるため、７つの独立した成分を有する。こ
れらの成分を、φ，Ｂ₂〜Ｂ₇と置き、ポロイダルコイル
４の各組の電流をＩ₁〜Ｉ₇と置くと、

【００１６】

【数１】

【００１７】と書くことができる。ここでＭは、

【００１８】

【数２】

【００１９】で、Ｍ₁〜Ｍ₇は、プラズマ１とポロイダル
コイル４の各組との間の相互インダクタンス、ｍijは核
融合装置の構造により定まる値である。したがってポロ
イダルコイル４の７個の電流値を制御することにより、
７つの機能磁場を発生させることができる。

【００２０】温度検出器５は、本実施例の場合、真空容
器２の上側及び下側に設置される。上側及び下側に設置
されるのは次の理由による。すなわち、一般にプラズマ
としての性能（例えば装置の効率に直結する限界β値
（＝（プラズマの圧力）／（磁気的な圧力））を向上さ
せることを目的として、プラズマ１の長手方向に垂直な
面での断面形状を上下方向に長い楕円形とすることが行
われているが、この形状のプラズマは、本質的に上下方
向に不安定な性質を持つため、何らかの外乱によって上
下方向に位置が変動する傾向にあり、この変動をとらえ
ることが重要であることによる。特に、核融合装置を安
定に運転するためには、単にプラズマ１の幾何学的なパ
ラメータを磁気プローブ８でとらえ、例えばプラズマ中
心の大半径（ドーナツの中心から外周に向かう方向）
（水平）方向の位置Ｒｐ、同じく垂直方向の位置Ｚｐ、
排ガスの排気のためのダイバータ位置Ｘ点の大半径方向
の位置Ｒｘ、同じく垂直方向の位置Ｚｘなどを一定に保
つだけでは、外乱によるプラズマ１の熱的出力の変動の
影響を回避することはできない。そこで本実施例では、
上に述べた温度検出器５の信号出力を制御装置６に取込
み、プラズマ１の制御に反映し、ポロイダルコイル電源
７に電流指令値を与え、核融合装置の熱的に安定な制御
を行う。

【００２１】図２に制御装置６の要部構成を示し、図示
の制御装置６は、指令値生成部６０と、この指令値生成
部６０の出力側に互いに並列に接続された５個の減算器
６９Ａ〜６９Ｄと、減算器６９Ｃ，６９Ｅの出力側にそ
れぞれ接続された加算器７０Ａ，７０Ｂと、減算器６９
Ａ，Ｂ，Ｄの出力側及び加算器７０Ａ，７０Ｂの出力側
に接続された制御演算部６２と、入力側を磁気プローブ
８に出力側を減算器６９Ａ〜６９Ｅに接続された帰還信
号演算部６１と、規定値設定器６４，６６と、規定値設
定器６４，６６の出力側にそれぞれ一方の入力側を接続
された減算器７１Ａ，７１Ｂと、減算器７１Ａ，７１Ｂ
の出力側にそれぞれ入力側を接続され出力側を加算器７
０Ａ，７０Ｂの入力側にそれぞれ接続された変換部６
５，６７とを含んで構成されている。減算器７１Ａの他
方の入力側には、真空容器下側に配置された温度検出器
５の出力Ｔ１が、減算器７１Ｂの他方の入力側には、真
空容器上側に配置された温度検出器５の出力Ｔ２が、そ
れぞれ入力されるようになっている。また、制御演算部
６２の出力がポロイダルコイル電源７に入力されるよう
になっている。

【００２２】制御装置６では、まずプラズマ電流Ｉｐ、
及び前述のプラズマ水平位置Ｒｐ、同垂直位置Ｚｐ、Ｘ
点水平位置Ｒｘ、同垂直位置Ｚｘを幾何学的に制御する
ため、指令値生成部６０で生成されたＩp，Ｒｐ、Ｚ
ｐ，Ｒｘ，Ｚｘの指令値が減算器６９Ａ，６９Ｂ，６９
Ｃ，６９Ｄ，６９Ｅにそれぞれ入力され、さらに帰還信
号演算部６１が磁気プローブ８による電磁気的な情報を
基にプラズマ位置形状パラメータを幾何学的な意味で求
めたデータが減算器６９Ａ，６９Ｂ，６９Ｃ，６９Ｄ，
６９Ｅに入力される。減算器６９Ａ，６９Ｂ，６９Ｃ，
６９Ｄ，６９Ｅは入力されたデータから上記５つのパラ
メータＩp，Ｒｐ、Ｚｐ，Ｒｘ，Ｚｘの制御偏差（例え
ばＺｐ，Ｚｘの制御偏差をそれぞれΔＺｐ，ΔＺｘとす
る）を求める。ここで帰還信号演算部６１は、磁気プロ
ーブ８による電磁気的な情報を基にプラズマ位置形状パ
ラメータを幾何学的な意味で求めるものである。得られ
たＩp，Ｒｐ、Ｒｘの制御偏差は制御演算部６２に入力
され、Ｚｐ，Ｚｘの制御偏差ΔＺｐ，ΔＺｘはそれぞれ
加算器７０Ａ，７０Ｂに入力される。

【００２３】一方、減算器７１Ａ，７１Ｂは、温度検出
器５からの温度検出信号Ｔ₁，Ｔ₂と、規定値設定器６
４，６６により定められる真空容器第１壁の上側温度規
定値Ｔ₁ref，下側温度規定値Ｔ₂refとの偏差を算出す
る。ここでＴ₁refとＴ₂refは、核融合装置が正常に運転
されている場合の第１壁の上側及び下側の温度を示す。
この偏差は、プラズマの熱的な位置のずれを示してお
り、変換部６５及び６７によってそれぞれ位置偏差Ｃ
１，Ｃ２への変換が行われる。

【００２４】本例では真空容器上側の温度設定値Ｔ₁ref
と真空容器上側の温度検出器５の出力Ｔ₁の偏差ｅ１
（＝Ｔ₁ref−Ｔ₁）について次のような変換を行う。

【００２５】・ｅ１が正（Ｔ₁ref＞Ｔ₁）の場合→補正量Ｃ１は負Ｔ₁ref＞Ｔ₁ということは、プラズマ熱的位置が規定
（正常運転状態）より下にあることを意味する。したが
って、プラズマの幾何学的な中心上下位置の制御偏差Δ
Ｚpに（−）方向の補正を加える。制御偏差ΔＺpはプラ
ズマの幾何学的な中心上下位置が正常運転状態より高い
時に正の値をとり、正の制御偏差ΔＺｐを入力された制
御演算部６２はプラズマの位置を低くする方向に動作す
る。したがって、制御偏差ΔＺpに（−）方向の補正を
加えることは、プラズマの位置を低くする程度を少なく
すること、減算器６９Ｃから出力されるΔＺpが０の場
合（プラズマの幾何学的位置が正常の場合）は、逆にプ
ラズマを上の方に動かすことを意味する。但し、プラズ
マ立上げ時においてもプラズマ温度は低いため、ΔＺｐ
への補正がかかり過ぎないようｅ１−ｃ１変換曲線の傾
きは負の小さい値をとる。

【００２６】・ｅ１が負（Ｔ₁ref＜Ｔ₁）→補正量Ｃ１は正プラズマの熱的位置が規定より上にあることを意味す
る。したがって、プラズマの幾何学的な中心上下位置の
偏差ΔＺｐに（＋）方向の補正を加える。この場合は、
第１壁への入熱が過剰になっているため、速やかにプラ
ズマ位置を下げることが必要であり、ｅ１−ｃ１変換曲
線の傾きは負の大きい値をとる。

【００２７】以上は、真空容器上側のプラズマに関るた
め、プラズマ中心の上下方向位置Ｚｐを制御した（真空
容器下側のプラズマはダイバータＸ点を動かさないよう
に制御されるため影響をほとんど受けない）。

【００２８】一方真空容器下側のプラズマに関しては、
温度偏差ｅ２について、同様に次のように補正量を算出
する。

【００２９】・ｅ２が正（Ｔ₂ref＞Ｔ₂）→補正量Ｃ２は正・ｅ２が負（Ｔ₂ref＜Ｔ₂）→補正量Ｃ２は負図３に、横軸に偏差ｅ１，２をとり縦軸に補正量Ｃ１，
２をとって、変換部６５におけるｅ１−ｃ１変換曲線を
実線で示し、変換部６７におけるｅ２−ｃ２変換曲線を
破線で示す。図３に示すように、ｅ２−ｃ２変換曲線は
ｅ１−ｃ１変換曲線に対して、ｅ軸に対称となる。変換
部６５，６７の出力値Ｃ１，Ｃ２はそれぞれ加算器７０
Ａ，７０Ｂに入力され、減算器６９Ｃ，６９Ｅの出力Δ
Ｚｐ，ΔＺｘにそれぞれ加算され、得られた結果が制御
演算部６２に入力される。つまり、制御演算部６２に
は、減算器６９Ａ，６９Ｂ，６９Ｄの出力と、加算器７
０Ａ，７０Ｂの出力が送りこまれる。

【００３０】本例では、上に説明したように真空容器２
の上下位置においた２つの温度検出器５の温度検出信号
Ｔ₁，Ｔ₂を基に、プラズマ上下方向のＺｐとダイバータ
Ｘ点の上下方向Ｚｘを補正した。これは、前述のよう
に、楕円プラズマにおける上下位置不安定性の抑制を考
慮したものであるが、さらに真空容器の鉛直方向壁面に
温度検出器を設け、プラズマ水平位置Ｒｐやダイバータ
Ｘ点水平位置Ｒｘを制御してもよい。

【００３１】さて制御演算部６２は、以上のようにして
得られた熱的条件を加味したプラズマパラメータＩp，
Ｒｐ、Ｚｐ，Ｒｘ，Ｚｘの偏差を基に、式（１）に対応
する機能磁場を求め、ハイブリッドコイルに対する電流
指令値を演算、生成する。例えば、正の値のΔＺｐが入
力された場合、プラズマ位置を下げる方向に働く磁場を
作るようにポロイダルコイルの電流が制御される。具体
的にはプラズマの上側のポロイダルコイルの電流が増加
される。電流が増加されるコイルの範囲、及び増加され
る電流の値は、前記（１）式、（２）式で決定される
が、一般的に制御される幾何学的位置は数mmのオーダー
であり、変化される電流の値は正常時の数％のオーダー
である。真空容器下側の温度検出器の検出温度が高過ぎ
る場合は、プラズマを上方向に動かすために、プラズマ
の下側のポロイダルコイルの電流が増加される。

【００３２】ここで、制御偏差により定まる５つの情報
に比べ、決定すべき電流指令値が７種類と多いため、制
約条件としてポロイダルコイルにより消費する電力Ｐの
最小化を考える。電力Ｐは、

【００３３】

【数３】

【００３４】により計算できるので、常にＰが最小値を
とるようにＩ₁〜Ｉ₇が決められる。図２に示す演算部６
８はこの条件を与えるものである。これにより、上に述
べた５つの偏差情報と合わせて７つの電流指令値を決定
することができる。

【００３５】以上、本実施例によれば、プラズマの幾何
学的位置形状が所定の状態に保持されている場合でも、
プラズマの熱的位置形状が変動した場合、熱的形状の変
化が幾何学的位置形状の変化に変換されてポロイダルコ
イルの電流制御の制御入力として用いられるので、ポロ
イダルコイルの電流が制御され、真空容器第１壁への熱
入力を変えないようにするという本発明本来の効果に加
え、核融合装置を常に最小の電力で運転することができ
るという経済的な効果が得られる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、プラズマの幾何学的パ
ラメータのみならず、熱的平衡を含めた制御を行うこと
ができるため、プラズマに対する外乱に強くなり、核融
合装置の安定な運転が可能で、装置の劣化や破損を防止
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である核融合装置の主要構成を
示す一部断面斜視図である。

【図２】図１に示す実施例の制御装置の構成例を示す制
御ブロック図である。

【図３】図２に示す制御装置で熱的偏差を位置的偏差に
変換する変換曲線の例を示す概念図である。

【符号の説明】

１プラズマ２真空容器３トロイダルコイル４ポロイダルコ
イル５温度検出器６制御装置７ポロイダルコイル電源８磁気プローブ６０指令値生成部６１帰還信号演
算部６２制御演算部６４規定値設定
器６５変換部６６規定値設定
器６７変換部６８演算部６９Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ減算器７０Ａ，Ｂ加算
器７１Ａ，Ｂ減算器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内に形成されるプラズマのプラ
ズマ電流及び幾何学的プラズマ位置形状値を検出する検
出手段を備え、検出されたプラズマ電流及び幾何学的プ
ラズマ位置形状値に基づいて前記真空容器の周囲に配置
されたトロイダルコイル及びポロイダルコイルにより形
成されるトロイダル磁場及びポロイダル磁場を制御して
プラズマ閉込めを行うトカマク型核融合装置の制御装置
において、プラズマから真空容器第１壁への入熱量を測
定する温度検出手段と、測定された該入熱量をプラズマ
の幾何学的な位置形状偏差量に変換する変換手段と、該
変換で得られた位置形状偏差量を基に前記検出された幾
何学的なプラズマ位置形状値を補正する補正手段とを設
けたことを特徴とする核融合装置の制御装置。
【請求項２】検出手段が、プラズマのプラズマ電流及
び幾何学的プラズマ位置形状値を電磁気的に検出するも
のであることを特徴とする請求項１に記載の核融合装置
の制御装置。
【請求項３】真空容器内に形成されるプラズマのプラ
ズマ電流及び幾何学的プラズマ位置形状値を検出する検
出手段と、検出されたプラズマ電流及び幾何学的プラズ
マ位置形状値に基づいて前記真空容器の周囲に配置され
たトロイダルコイル及びポロイダルコイルにより形成さ
れるトロイダル磁場及びポロイダル磁場を制御してプラ
ズマ閉込めを行う制御手段とを備えてなるトカマク型核
融合装置の制御装置において、プラズマから真空容器第
１壁への入熱量を測定する温度検出手段を備え、前記制
御手段は、測定された前記入熱量をプラズマの幾何学的
な位置形状偏差量に変換する変換手段と、該変換で得ら
れた位置形状偏差量を基に前記検出された幾何学的なプ
ラズマ位置形状値を補正する補正手段とを有してなるこ
とを特徴とする核融合装置の制御装置。
【請求項４】制御手段が、真空容器内に形成されるプ
ラズマのプラズマ電流及び幾何学的プラズマ位置形状値
の正常運転時における設定値と検出されたプラズマ電流
及び幾何学的プラズマ位置形状値の偏差量を算出する手
段と、該偏差量が０になるようにポロイダルコイルの電
流値を制御する制御演算部とを含んで構成されているこ
とを特徴とする請求項３に記載の核融合装置の制御装
置。
【請求項５】真空容器内に形成されるプラズマのプラ
ズマ電流及び幾何学的プラズマ位置形状値を検出し、検
出されたプラズマ電流及び幾何学的プラズマ位置形状値
に基づいて前記真空容器の周囲に配置されたトロイダル
コイル及びポロイダルコイルにより形成されるトロイダ
ル磁場及びポロイダル磁場を制御してプラズマ閉込めを
行うトカマク型核融合装置の制御方法において、プラズ
マから真空容器第１壁への入熱量を測定し、測定された
前記入熱量をプラズマの幾何学的な位置形状偏差量に変
換し、該変換で得られた位置形状偏差量を基に前記検出
された幾何学的なプラズマ位置形状値を補正し、該補正
された位置形状偏差量を基にポロイダル磁場を制御して
プラズマ位置制御を行うことを特徴とするトカマク型核
融合装置の制御方法。