This paper deals with three-dimensional effects in tokamaks that can be approximated by slowly varying 3D equilibria so that their theoretical description and corresponding code developments can benefit from stellarator research. We investigate the effect of magnetic field ripple and magnetic islands on fast particle orbits and find a strong synergistic effect. The coupling of the plasma perturbation to realistic tokamak wall structures introduces 3D elements into the treatment of resistive wall modes (RWMs). We have developed and successfully benchmarked an RWM code allowing for 3D plasma equilibria and wall geometries. We show that for realistic wall structures the 3D effects remove the degeneracy of ±n modes and can give rise to significant coupling of modes with different toroidal mode numbers n. Kinetic damping of RWMs by plasma rotation is investigated in the low rotation regime relevant for ITER and DEMO. It is found that the inclusion of drift wave physics results in an increased damping for plasma rotation velocities in the range of the diamagnetic frequency due to the resonant excitation of electrostatic plasma waves.
本論文は、ゆっくりと変化する3次元平衡によって近似できるトカマクにおける3次元効果を扱い、その理論的記述と対応するコード開発がステラレーター研究から恩恵を受けられるようにするものである。我々は、磁場リップルと磁気島が高速粒子軌道に及ぼす影響を調査し、強い相乗効果を見出した。プラズマ摂動と現実的なトカマク壁構造との結合は、抵抗性壁モード（RWM）の取り扱いに3次元要素を導入する。我々は、3次元プラズマ平衡と壁形状を考慮したRWMコードを開発し、ベンチマークに成功した。現実的な壁構造に対して、3次元効果が±nモードの縮退を解消し、異なるトロイダルモード数nを持つモード間の有意な結合を引き起こすことを示す。ITERおよびDEMOに関連する低回転領域におけるプラズマ回転によるRWMの運動論的減衰を調査する。反磁性周波数の範囲のプラズマ回転速度において、静電プラズマ波の共鳴励起により減衰が増強されることを、ドリフト波物理の導入によって見出す。