大型​ヘリカル​装置​の​定常​運転​の​ため​の​CompactRIO​制御​システム​の​開発

"本​システム​を​導入​した​こと​により、​従来​と​同じ​発振​機​を​用​い​て​最大​入射​パワー​が​3.5MW​から​4.5MW​まで​上昇​した。​また、​多くの作業が自動化され、​開発​者​以外​の​技術​スタッフ​に​も​操作​が​容易​に​行​え、​それ​まで​実験​中​に​機器​の​運転​に​かかり​きり​だ​っ​た​分​を​実験​に関する​議論​や​実験​条件​の​最適​化・​解析​に​あてる​こと​が​でき​た。"

- Shuji KAMIO, 核融合​科学​研究所

課題:

装置​の​中​で​長時間​プラズマ​を​つけ​て​おく​ため​に​本​プログラム​に​求め​られる​課題​は​2​つ​ある。​1​つ​は​温度​や​密度​など、​プラズマ​の​状態​を​一定​に​保つ​こと、​もう​1​つ​は​加熱​機器​の​異常​に対し​即座​に​対応​し、​機器​を​健全​に​保つ​こと​で​ある。

ソリューション:

システム​概念​図​中​右上​の​赤​枠​が​本​システム​で​あり、​LHD​内​の​プラズマ​の​情報・​加熱​機器​の​情報​を​収集​し、​制御​用​の​信号​を​出し​て​いる。​これらの​情報​は、​グラフィカル​ユーザー​インターフェース​(GUI)​によって​常に​監視・​直感​的​に​操作​し​て​おり、​実験パラメータの操作が可能となった。

概要

核融合​発電​の​実用​化​に​向け​た​研究​は、​実際​に​大型​装置​で​核融合​を​起こす​実験​も​行​われ​て​いる​が、​その​時間​は​まだ​数​秒​単位​で​あり、​商業​炉​として​実用​化​する​ため​に​は​最低​でも​数​十​時間​から​数​か​月​の​運転​が​できる​よう​に​なら​な​け​れ​ば​なら​ない。​核融合​科学​研究所​の​大型​ヘリカル​装置​(LHD)​では、​この​よう​な​課題​に​取り組む​ため、​数​千万​度​の​高温​プラズマ​を​長時間​安定​し​て​維持​する​実験​を​行​って​いる。​高温​を​維持​する​ため​の​加熱・​燃料​の​ガス​の​制御​を​リアルタイム​で​フィードバック​し​て​安定​的​に​運転​する​制御​プログラム​を​開発​し、​実験​に​用いる​こと​で、​これまで​フランス​Tore Supra​装置​が​保有​し​てい​た​記録​「総​加熱​量​1.0GJ(6​分)」​を​大​きく​更新​する​「3.3GJ(48​分)」​の​世界​記録​を​達成​した。​これ​は、​これまで​の​制御​では​達成​し​え​なか​っ​た​記録​で​ある。

 

1. 背景

今後​百​数​十年​で​化石​燃料​の​枯渇​という​問題​に​直面​する​人類​にとって、​再生​可能​な​燃料​による​新しい​発電​は​非常​に​重要​で​ある。​この​点​核融合​発電​は、​燃料​の​トリチウム​は​海水​から​抽出​できる​リチウム​から​生成​できる​ため​無尽蔵​な​燃料​を​供給​でき、​また​原子力​発電​の​よう​な​高​レベル​放射性​廃棄​物​や​事故​は​起​こら​ない​という​点​でも​実用​化​が​期待​さ​れ​て​いる。​核融合​発電​の​実用​化​に​向け​た​研究​は、​まだまだ​物理​的​な​課題​も​残​って​いる​ものの、​近年​の​研究​の​進展​により、​次第に​工学​的​課題​へ​の​取り組み​に​シフト​してき​て​いる。​実際​に​大型​装置​で​核融合​を​起こす​実験​も​行​われ​て​いる​が、​その​時間​は​まだ​数​秒​単位​で​あり、​商業​炉​として​実用​化​する​ため​に​は​最低​でも​数​十​時間​から​数​か​月​の​運転​が​できる​よう​に​なら​な​け​れ​ば​なら​ない。​図​1​に​示す​大型​ヘリカル​装置​(LHD)​では、​太陽​の​中心​より​も​温度​の​高い​数​千万​度​の​高温​プラズマ​を​長時間​安定​し​て​維持​する​実験​を​行​って​いる。​高温​プラズマ​を​長時間​維持​する​に​は、​メガワット​級​の​加熱​パワー​を​長時間​安定​し​て​供給​し​続ける​必要​が​あり、​ハード・​ソフト​ともに​高い​技術​が​必要​で​ある。​本​作品​は​この​運転​の​ため​の​制御​プログラム​で​あり、​フィードバック​制御​により​高温​プラズマ​の​定常​的​な​運転​の​長時間​世界​記録​を​達成​した​成果​について​報告​する​もの​で​ある。


2. 課題

装置​の​中​で​長時間​プラズマ​を​つけ​て​おく​ため​に​本​プログラム​に​求め​られる​課題​は​2​つ​ある。​1​つ​は​温度​や​密度​など、​プラズマ​の​状態​を​一定​に​保つ​こと、​もう​1​つ​は​加熱​機器​の​異常​に対し​即座​に​対応​し、​機器​を​健全​に​保つ​こと​で​ある。

 

2-1.​安定​した​プラズマ​温度・​密度​の​維持
​長時間​維持​する​上​で​もっとも​注視​すべ​き​パラメータ​は​プラズマ​の​密度​で、​濃​すぎる​と​全体​が​冷え​て​加熱​パワー​が​足​り​ず​崩壊​し、​薄​すぎる​と​高速​に​なり​すぎ​た​粒子​により​壁​が​部分​的​に​高温​に​なり、​壁​から​の​アウト​ガス​により​放電​が​停止​し​て​しまう。​本​作品​では​制御​の​手段​として、​電磁波​加熱​入力​パワー・​封入​ガス​量​を​変​え、​目的​の​密度​10​兆​個/​cc​に​保つ。​不純物​の​混入​や​加熱​機器​の​トラブル​など、​急​な​イベント​に​も​対応​できる​よう​な​高速​処理​を​し​つつ、​長時間​安定​し​て​動作​する​システム​の​構築​が​必要​で​ある。

 

2-2.​運転​状態​の​監視
​プラズマ​を​高温・​高密度​領域​まで​加熱​する​ため​に​は​大​電力​の​ビーム​や​電磁波​を​安定​し​て​入射​する​こと​が​必要​で​ある。​プラズマ​を​効率​よく​加熱​する​ため​の​電磁波​生成​システム​制御​は​非常​に​複雑​で​あり、​異常​を​検知​する​ため​に​監視​すべ​き​箇所​は​多く、​異常​の​種類​により、​対応​も​多岐​にわたる。​この​異常​対応​を​怠る​と​電源​や​装置​の​破損​に​つながり、​実験​の​中断​や​大きな​損害​に​発展​する​恐れ​も​ある。​これまで​は​人​の​目​で​判断​し​て​遮断​する​部分​も​多か​っ​た​ので、​停止​させる​まで​の​間​に​損害​が​拡大​する​こと​も​あり、​インター​ロック​の​改善​は​急務​で​あっ​た。​また、​プラズマ​の​急​な​変化​に対して​も​準備​を​し​て​おく​必要​が​あり、​急​な​不純物​の​混入​など​で​温度​や​密度​が​急​変化​した​場合​に​は、​加熱​パワー​を​増やす​など​し​て​対策​を​とる​必要​が​ある。

 

3.​ソリューション
​図​2​に、​システム​概念​図​を​示す。​図​中​右上​の​赤​枠​が​本​システム​で​あり、​LHD​内​の​プラズマ​の​情報・​加熱​機器​の​情報​を​収集​し、​制御​用​の​信号​を​出し​て​いる。​これらの​情報​は、​グラフィカル​ユーザー​インターフェース​(GUI)​によって​常に​監視・​直感​的​に​操作​し​て​おり、​実験パラメータの操作が可能となった。

 

3-1.​システム​構成
​本​システム​は​目的​別に​用意​した​CompactRIO​コントローラ​に、​必要​な​速度​応答・​チャンネル​数​の​モジュール​を​選定​し​運用​した。​LHD​実験​は​大型​の​プロジェクト​で​あり、​システム​の​故障​や​トラブル​が​発生​した​際​に​実験​を​止め​たり​期間​を​延​ば​した​り​する​こと​が​でき​ない​ため、​再現​性​の​高い​代替品​が​すぐ​に​用意​でき、​プログラム​の​複製・​修正​が​容易​に​できる​NI​製​FPGA​を​選定​した。​図​2​の​写真​は​導入​した​CompactRIO​の​一部​で、​主に​I/​O​により​必要​な​情報​の​集積・​制御​用​信号​の​送信​を​行​って​いる。​本​研究所​の​実験​は​実験​装置・​加熱​現場​制御​室・​中央​制御​室​が​それぞれ​離れ​た​場所​に​あり​複数​の​オペレーター​が​遠隔​で​制御​する​こと​が​必要​で​ある​が、​LabVIEW​による変数共有や信号の高速入出力により複数の場所からの詳細なフィードバック制御が可能となった。​LabVIEW​を​用いる​こと​で、​多​地点​で​の​運用​を​達成​し、​本​作品​では​さらに​システム​を​拡張​し​遠隔​に​設置​した​コントローラ​を​高速​通信​により​制御​し​て​いる。

 

課題​2-1​に対して​は、​密度​に関する​情報​を​収集​し、​ガス​封入​量​(ピエゾバルブ​の​開閉​用​電圧)​を​コントロール​する​こと​により​密度​を​一定​に​保つ​こと​を​目指す。​プラズマ​の​密度​は​封入​ガス​量​に​依存​する​が、​その他​に​も​プラズマ​温度​や​加熱​入力​パワー、​不純物​密度、​壁​の​温度、​壁​の​ガス​吸着​量​など、​未だ​解明​さ​れ​てい​ない​要因​も​含​め​複雑​な​条件​で​成​り​立​って​いる。​この​ため​密度​と​封入​ガス​量​を​単純​に​比例​制御​する​の​では​なく、​PID​制御​や​独自​の​関係​式​で​最適​な​フィードバック​が​できる​よう​に​拡張​した。​操作​画面​を​図​5​に​示す。
​課題​2-2​の​運転​状況​の​監視​の​ため、​①​異常​状態​を​一目​で​確認​でき、​また​異常​ログ​を​保存​する​プログラム、​②​出力​パワー、​アンテナ​位置、​実験​情報​等​を​常に​監視​できる​グラフ​を​表示​する​プログラム、​③​各​アンテナ​について​現在​の​入射​パワー、​位置​を​一括​制御​する​プログラム​を​製作​し​運用​した。​従来​は​異常​を​確認​した​場合​人​の​手​で​停止​し​てい​た​が、​この​プログラム​により、​あらかじめ​異常​後​の​行動​を​すべて​決め​て​おき​これ​を​自動​で​対応​させる​ことに​成功​した。​この​システム​導入​後​は​異常​に対して​迅速​に​対応​できる​よう​に​なり、​これまで​年​に​数回​起​き​てい​た​伝送​路​の​絶縁​破壊、​水​漏れ、​電源​の​破損​等​の​深刻​な​事故​は​起​こ​って​い​ない。

 

 

3-2.​結果
​プラズマ​定常​維持​は、​高い​温度・​密度​の​プラズマ​を​維持​する​こと​が​より​困難​で​研究​として​も​意義​が​ある​ため、​加熱​パワー​(W)×​維持​時間​(秒)​で​ある​総​加熱​量​(J)​で​評価​する。​本​作品​の​制御​システム​を​運用​する​こと​で、​これまで​の​フランス​Tore Supra​装置​の​もつ​総​加熱​量​1.0GJ​を​大​きく​更新​する​3.3GJ(48​分)​の​世界​記録​を​達成​した。​これまで​の​制御​では​達成​し​え​なか​っ​た​記録​で​ある。​なお、​実験​結果​や​技術​的​な​詳細​について​は​Fusion Engineering and Design​誌 101 (2015) 226-230​ページ​に​論文​が​掲載​さ​れ​て​いる。​本​システム​は​FPGA​を​用いる​こと​で​高速​で​安定​した​動作​が​実現​し、​加熱​パワー​の​リソース​に対して​高い​パワー​を​入射​する​こと​が​でき​た。​加熱​パワー​の​増強​は​非常​に​高価​な​発振​機​の​増設​等​が​必要​で​ある​が、​本システムを導入したことにより高効率化され、​同じ​発振​機​を​用​い​て​最大​入射​パワー​が​3.5MW​から​4.5MW​まで​上昇​した。​また、​本システムを用いることにより多くの作業が自動化され、​GUI​により​開発​者​以外​の​技術​スタッフ​に​も​操作​が​容易​に​行​え、​それ​まで​実験​中​に​機器​の​運転​に​かかり​きり​だ​っ​た​分​を​実験​に関する​議論​や​実験​条件​の​最適​化・​解析​に​あてる​こと​が​でき、​限​ら​れ​た​実験​期間​に​これまで​以上​の​成果​を​収める​こと​が​でき​た。​実験​中​の​様子​を​図​6​に​示す。

今後​は、​本​システム​を​運用​する​こと​で​本​装置​の​最終​目標​で​ある​3MW​1​時間、​すなわち​総​加熱​量​10GJ​の​定常​運転​の​達成​を​目指​し​て​引き続き​実験​を​行​って​いき、​核融合​炉​の​実現​を​目指​した​研究​における​長時間​運転​の​分野​を​けん引​し​てい​く。​特に、​最後​の​実験​装置​として​国際​協力​で​現在​建設​中​の​ITER​では​1000​秒​(16​分)​まで​の​実験​しか​行​われ​ない​ため、​長時間​の​運転​実証・​問題​解決​に​向け​て​実験​を​行​って​いく。

 

 

著者​情報:

Shuji KAMIO
核融合​科学​研究所
​Japan

図​1. ​ ​大型​ヘリカル​装置​LHD(Large Helical Device)​および​真空​容器​内部 ​
図​2. ​ ​システム​概念​図 ​
図​3. ​ ​CompactRIO ​
図​4. ​ ​ガス​フィードバック​制御​画面 ​
表​1. ​ システム​構成 ​
図​6. ​ ​実験​中​の​様子 ​
図​5. ​ ​高周波​加熱​運転​用​システム​画面 ​