CompactRIOとLabVIEWを使用したプラズマ研究用のコンパクト球状トカマクの監視と制御

世界的に見て、電力需要は毎年5%の割合で増加しており、核融合発電の必要性が高まっています。核融合エネルギーの研究開発への世界の年間支出は約30億ドルであり、本格的な科学的研究には、最新の磁石技術を用いた核融合研究用トカマクが必要なのです。当社Tokamak Energyは、中性子源やプラズマ研究装置として使用するために小型球状トカマクを世界300ヶ所のプラズマ研究センターで開発しています。

当社は、フル稼働可能な小型トカマク ( ST25) の初期プロトタイプを開発しました。このプロトタイプには、核融合研究開発プロセスを高速化して、核融合電源を幅広く利用できる可能性があります。JET (欧州合同トーラス) やITER (国際熱核融合実験炉) などの巨大な実験装置が核融合研究開発の重大な問題に取り組む一方、小型トカマクは多くの核融合課題に対処でき、小型デバイスで短期間での開発が可能です。

ITERの見込みコストは150億ドルを優に超えますが、小型ST25トカマクの製造と稼働にかかるコストは、数百万ドルです。つまり、Tokamak Energy社は、主流の核融合研究開発を補完し、加速する核融合の速やかな段階的革新のための研究手段を提供することを目指しています。

システムの概要

トカマクは、磁場を利用してプラズマをトーラス状に閉じ込めるデバイスです。安定したプラズマ放電には、螺旋状の経路でトーラスの周りを流れる磁場が必要です。これは、トーラスの垂直軸を周回するトロイダル磁場と、トーラスの中心軸を囲むポロイダル磁場とを組み合わせることで実現されます。

プラズマは数百万度の温度に達し、あらゆる固体の閉じ込め障壁を溶かすため、プラズマを磁場で閉じ込める必要があります。トカマクでは、トーラスを囲む電磁石がトロイダル磁場とポロイダル磁場を生成します。第3の電磁石であるソレノイドは、プラズマ内でトロイダル状に流れる電流を誘導し、その過程でプラズマをイオン化し、加熱します。

ST25は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) によりスイッチされた8つの1ファラッドコンデンサを使用して、0.2テスラのトロイダル磁場を形成する、トカマク周辺の銅巻線に必要なキロアンペアレベルの電流放電を供給します。別個の高電圧コンデンサバンクから供給されるポロイダル磁場とソレノイドコイルを使用して、システムは10 kA～20 kAのプラズマ電流を誘導します。コンデンサを追加すれば、電界と電流の両方を増加できます。また、3 kWのマグネトロンで生成された2.45 GHzマイクロ波を使用してプラズマを電離および駆動し、長時間パルス運転を可能とします。放電に同期して圧電バルブから水素ガスを注入することでこれを持続させ、必要に応じて、他のガスでドーピングすることができます。

設計と実装

このシステムでは、NI LabVIEWソフトウェアとNI CompactRIOハードウェアがプラズマ制御とデータ収集を行います。NI PCI Expressフレームグラバでは、プラズマ放電のビデオをキャプチャします。当社がNIを選んだ理由は、LabVIEWが有名であり、大規模な物理分野で広く使用されていることで、サポートコミュニティが確立されているからです。

LabVIEWは、CompactRIOプラットフォームおよび他社製のハードウェアやソフトウェアとシームレスに統合されるため、この選択は確かなものとなりました。CompactRIOおよびNI PCIe-1433フレームグラバに加えて、ST25システムにはインターロックおよび安全システム用のSiemens製プログラマブルロジックコントローラ (PLC)、データ解析用のThe MathWorks, Inc.MATLAB®ソフトウェア、水やその他のガスなどの不純物や汚染物質の有無についてプラズマを分析する海洋光学分光器、さまざまな真空ポンプコントローラと圧力ゲージが組み込まれています。NIのWebサイトから入手できるさまざまな計測器ドライバは、他社製デバイスの統合に役立ちました。

2つのCompactRIOデバイスは、システムの2つの別個の部分を実行します。最初のCompactRIOシステムは、トカマク容器の周りに取り付けられている電圧ループとコイルからデータを収集します。これらは、プラズマの状態と容器内の位置を示します。また、フォトダイオードからの信号をデジタル化して、プラズマの持続時間と強度を測定します。このシステムを2台目のCompactRIOコントローラにネットワーク接続したことで、IGBTデバイスを介したコイルへのコンデンサバンク放電の同期を管理し、プラズマ放電の安定性を維持できるようにしました。このCompactRIOコントローラは、プラズマチャンバへの水素注入も管理します。波形データの集録、信号の処理、およびプラズマ放電の制御への応答に必要な速度であるため、CompactRIOとLabVIEW FPGAモジュールはこの用途に最適です。FPGAを使用して、マイクロ秒の分解能でIGBTなどのデバイスをトリガしてプラズマ放電を開始することができます。LabVIEWとCompactRIOのアプローチでは、カスタムチップの処理速度とソフトウェアの再構成が可能です。

NI PCIe-1433フレームグラバは、NI-IMAQドライバを使用して、監視および放電解析用にCamera Linkを実行しているカメラから毎秒1,000フレーム以上のプラズマの高速ビデオを収集します。NI-IMAQドライバを使用すると、集録を簡単に構成でき、システムはビデオファイルを簡単にAVIに変換できます。

システム全体は、CompactRIOシステム、ビデオキャプチャ、そしてNI-VISAとRS232リンクを使って、分光計、PLC、および監視カメラをネットワーク接続するLabVIEWによって制御されるマスタPC上で動作します。ST25をファラデーケージで囲んで、安全室から制御します。

今後の展開

ST25は、新型トカマクであるST25 HTSの設計に道を開きました。Tokamak Energy社は、Oxford Instruments社と協力して、高温超伝導体 (HTS) から作られた磁石を使用した世界初のトカマクを開発および実証しています。  すべてのST25コードは新しく、この用途専用に作成されていますが、ST25 (HTS) および今後の反復でコードを再利用し、NIのグラフィカルシステム設計の利点を最大限に活用することができます。小型トカマクは受講生にとって扱いやすく、研究者は画期的なプラズマ研究や核融合科学を実施することができます。具体的には、超伝導磁石の低エネルギー放熱を利用して、強力な高温プラズマを長時間維持することができます。

シンプルな設計で時間を短縮

ネットワーク型CompactRIOアプローチを使用することで、制御システムとDAQ設計がシンプルになりました。これらのデバイスを使用しないと、配線とレイアウトはより複雑になり、実装に時間がかかります。このスケーラブルな設計を使用すると、はるかに大きく複雑なデバイスを制御することもできます。これはもう1つのメリットです。

総じて、NI製品によって全てのセットアップが簡素化しました。多くの製造元のハードウェアやソフトウェアを、短期間のうちに驚くほど小型で強力、かつ費用対効果に優れたトカマクに統合することができたのです。6ヶ月足らずでST25を設計、構築し、そのうち制御システムの計画と実装にかかった期間は約3ヶ月でした。この実用的なプロトタイプは、短期間で有望な結果をもたらしました。

LabVIEWとCompactRIOを使用して、専門的な組み込み電子エンジニアを必要とせずに、拡張性に優れた分散型組み込み制御およびDAQシステムを構築しました。プロジェクトの規模と複雑さが拡大するにつれて、工学物理学者がHTS磁石制御、プラズマ制御、および高度な診断用のシステム実装に緊密に取り組むことができるように、当社では、このアプローチを今後も使用する方針です。

MATLAB®は、The MathWorks, Inc.の登録商標です。

更新

ST25トカマクの高温超電導版のST25 HTSが現在試運転中です。  これは世界初の全面的なHTSトカマクデバイスの実証となり、数分間から数時間にわたって持続する低温プラズマ放電の連続運転が可能となります。これにより、核融合温度に対応できる新たな高磁場デバイスへの道が開けます。

これは刺激的な結果を約束するもので、現在、設計と計画の段階にあります。  ST25および現在世界中で建設中の他のはるかに大型のトカマクですでに実施されている作業に基づいて、NIのソフトウェアとハードウェアを幅広く使用します。

作成者​情報:

Paul Apte
Tokamak Energy
Tokamak Energy, Culham Innovation Centre, D5 Culham Science Centre
Abingdon OX14 3DB
United Kingdom
電話:01865 536 6060
p.apte@rideosystems.co.uk