TCV 실시간 전자밀도 프로파일 제어를 위한 새로운 모델 기반 관측기 적용

초록

본 논문은 RAPDENS 기반 다중 속도 EKF 관측기를 TCV 플라즈마 제어 시스템에 통합하여 전자밀도 프로파일을 실시간으로 추정·제어하는 방법을 제시한다. 탈착, ECH/NBI L‑mode, 고성능 H‑mode 등 다양한 실험에서 라인 평균 밀도와 중앙 밀도, 엣지 밀도·β 토를 동시에 제어함으로써 밀도 제한 회피, 교란 억제, 진단 오류 복원 등을 성공적으로 구현하였다.

상세 분석

이 연구는 토카막 플라즈마의 핵심 제어 변수인 전자밀도 프로파일을 실시간으로 재구성하고, 이를 기반으로 피드백·피드포워드 제어를 수행하는 최신 관측기 체계를 소개한다. 핵심은 RAPDENS 모델을 확장한 다중 속도 확장 칼만 필터(EKF)이며, 고주파 FIR 인터페런스와 저주파 TS 데이터를 동시에 융합한다. 1‑차원 플럭스‑표면 평균 전자밀도 방정식(식 1)은 확산‑대류 형태로 전자 확산계수 D와 핀치 속도 ν를 포함하고, 경계조건은 중심에서 Neumann, LCFS에서 Dirichlet를 적용한다. 중성 입자와 벽 입자에 대한 0‑차원 식(식 2·3)은 이온화·재결합·펌프‑아웃·펠릿·NBI 연료 공급을 모두 포괄한다. 특히, 실험 중에 관측되는 시간‑변화하는 핀치‑대‑확산 비율(Vp/D)을 EKF 내부에서 추정함으로써 모델 예측 정확도를 크게 향상시켰다.

TCV 제어 시스템에 관측기를 실시간으로 삽입한 결과, 세 가지 주요 응용이 입증되었다. 첫째, 복잡한 디버터 기하학을 갖는 탈착 실험에서 SOL 전자밀도에 의한 FIR 신호 오염을 관측기에서 자동으로 제거하고, LCFS 내부 라인 평균 밀도만을 정확히 제어함으로써 전자밀도 한계에 근접하면서도 안정적인 탈착 조건을 유지했다. 둘째, ECH·NBI 혼합 L‑mode 플라즈마에서 중앙 밀도를 목표값 이하로 유지하면서, 히팅에 의해 발생하는 프로파일 피크 변화를 외란으로 모델링하고, PI 제어기에 피드백을 제공해 실시간으로 보정하였다. 이때, 실험적으로 관측된 ‘입자 펌프‑아웃’ 현상을 GENE 선형·비선형 gyrokinetic 시뮬레이션으로 재현했으며, 전자 핀치가 감소하고 확산이 강화되는 메커니즘을 확인하였다. 셋째, 고밀도 H‑mode에서 엣지 정규화 밀도와 토리달 β 토를 동시에 제어함으로써 β_N≈2.15, Greenwald 한계 f_GW≈0.80 수준에서도 재현 가능한 고성능 플라즈마를 얻었다. 여기서는 엣지 밀도 추정에 FIR 신호 일부만을 사용했음에도 불구하고, 오프라인 TS와 동등한 정밀도를 달성했으며, 프린지 점프와 같은 진단 오류를 관측기가 자동 복원하도록 설계하였다.

또한, 관측기 기반 제어가 기존 단순 라인 평균 밀도 피드백 대비 갖는 장점이 명확히 드러난다. 첫째, 다중 위치 프로파일 정보를 활용해 특정 반경에서의 밀도 목표값을 직접 제어할 수 있다. 둘째, 실시간으로 추정된 물리 파라미터(D, ν)를 제어 모델에 반영함으로써 예측 오차를 최소화하고, 급격한 히팅 전환이나 펠릿 주입 등 급변 상황에서도 안정적인 제어가 가능하다. 셋째, 진단 결함이 발생해도 관측기가 자체적으로 보정·보완하므로 전체 제어 시스템의 신뢰성이 크게 향상된다.

이러한 결과는 향후 ITER·DEMO와 같은 차세대 핵융합 장치에서 제한된 진단 자원과 높은 신뢰성 요구를 만족시키는 실시간 플라즈마 상태 추정·제어 기술의 실용성을 입증한다. 특히, 모델 기반 관측기와 고성능 EKF를 결합한 접근법은 플라즈마 물리 현상의 실시간 파라미터 추정과 제어 전략 설계에 새로운 패러다임을 제시한다.